Des chercheurs espagnols développent une cellule solaire qui atteindra 43 % d’efficacité.

L’énergie solaire voit ses performances s’améliorer depuis des années, mais elle offre encore de grandes possibilités d’amélioration. Bien que les installations actuelles soient de plus en plus économiques et efficaces, il existe une limite physique qui conditionne le rendement des cellules solaires conventionnelles.

Actuellement, un groupe de scientifiques de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), situé à Castelldefels, à Barcelone, a présenté une solution qui pourrait aider à surmonter cet obstacle. Et ce qui est le plus intéressant, c’est qu’elle ne nécessite pas le développement d’un matériau semi-conducteur entièrement nouveau, mais plutôt la modification d’un des composants des cellules solaires afin d’en tirer meilleur parti avec l’énergie qu’elles reçoivent.

La clé réside dans le remplacement de l’électrode transparente conventionnelle par une couche extrêmement fine d’argent, capable de conduire l’électricité, de laisser passer la lumière et, en même temps, de contrôler la manière dont une partie des rayonnements émanant de l’intérieur de la cellule s’échappe.

Une couche d’argent pour dépasser la limite d’efficacité des panneaux solaires

Pour comprendre l’importance de cette avancée, il faut parler de la célèbre limite de Shockley-Queisser, une référence en physique qui stipule qu’une cellule solaire conventionnelle à une seule jonction a une efficacité théorique maximale d’environ 33 % dans des conditions standard d’éclairage solaire.

Cela signifie que, même en utilisant des matériaux de haute qualité et en réduisant au minimum les défauts de fabrication, une quantité importante d’énergie ne peut pas être exploitée. Une partie se perd sous forme de chaleur, tandis qu’une autre correspond à des photons qui n’ont pas suffisamment d’énergie pour générer de l’électricité.

Mais il existe un troisième phénomène qui diminue également l’efficacité. Lorsque la lumière solaire atteint le semi-conducteur, elle libère des électrons qui peuvent générer un courant électrique. Cependant, certains de ces électrons se recombinent et émettent des photons qui finissent par s’échapper de la cellule, emportant une partie de l’énergie.

Les chercheurs espagnols ont concentré leurs efforts précisément sur la réduction de ces pertes, liées à l’émission de rayonnement et aux soi-disant pertes de Boltzmann. Leur proposition consiste à modifier la manière dont la lumière peut sortir de la cellule solaire, en exploitant les propriétés optiques d’une couche métallique.

Plutôt que de l’oxyde d’indium et de stannium habituel, connu sous le nom d’ITO, ils ont utilisé une couche d’argent si fine qu’elle permet le passage d’une grande partie de la lumière, tout en présentant également des propriétés réfléchissantes. Ainsi, elle restreint les angles par lesquels le rayonnement émis depuis l’intérieur peut s’échapper.

Le résultat est une structure qui agit partiellement comme une cavité optique, contribuant à améliorer l’utilisation des photons. Lors des expériences, l’équipe a observé des améliorations tant en termes de tension que de courant électrique, ce qui est particulièrement important car ces deux paramètres déterminent la puissance que peut fournir une cellule solaire.

De 33 % à 43 % d’efficacité : ce qu’ils ont vraiment accompli

D’après ces résultats, les modèles théoriques indiquent que, grâce à l’amélioration de la technologie, des efficacités proches de 43 % pourraient être atteintes. Ce chiffre représenterait un bond considérable par rapport à la limite classique des cellules à une seule jonction, bien qu’il reste encore beaucoup de travail à effectuer pour déterminer jusqu’où cette approche peut aller.

Le chercheur Francisco Bernal Texca, premier auteur de l’étude, estime que ce travail ouvre une voie de recherche jusqu’alors peu explorée pour dépasser la limite de Shockley-Queisser. L’avantage est qu’il propose une alternative aux stratégies habituelles, axées principalement sur la combinaison de différents matériaux semi-conducteurs.

En effet, si cette technologie parvient à se développer au point de devenir une solution commerciale, elle pourrait augmenter la production d’électricité sans avoir besoin d’augmenter proportionnellement la superficie occupée par les panneaux. Cela est particulièrement intéressant pour les installations sur toit, où l’espace disponible est souvent limité.

Une technologie qui pourrait compléter les cellules solaires à perovskite

Le travail de l’ICFO intervient à un moment de concurrence intense pour améliorer l’efficacité photovoltaïque. L’une des technologies qui reçoivent le plus d’attention est celle des cellules solaires en tandem, qui combinent différents matériaux afin d’exploiter différentes parties du spectre solaire.

Un exemple est le fabricant chinois LONGi, qui a annoncé une efficacité de 35,5 % pour une cellule en tandem à base de pérovskite et de silicium. Dans ce cas, le principe est différent de celui utilisé par les chercheurs de Barcelone : au lieu de contrôler la radiation qui s’échappe, on combine des matériaux ayant des propriétés d’absorption différentes pour exploiter plus efficacement l’énergie des photons.

La perovskite permet d’ajuster les longueurs d’onde qu’elle peut absorber, tandis que le silicium sert à exploiter une autre partie du spectre. Cette combinaison permet de dépasser la limite qui affecte une cellule conventionnelle à jonction unique.

La proposition de l’ICFO vise un autre mécanisme de perte, ce qui ouvre la possibilité d’étudier des solutions complémentaires. Cela ne signifie pas que ces deux technologies puissent être combinées directement sans difficultés, mais il existe bien différentes voies pour continuer d’améliorer l’efficacité de l’énergie solaire.

On explore également des techniques comme la fission singlette, qui cherche à utiliser des photons à haute énergie pour générer plus d’une excitation électronique. Il s’agit de stratégies encore expérimentales, mais elles montrent que les possibilités d’amélioration de la technologie photovoltaïque restent considérables.

Plus d’électricité avec la même surface de panneaux solaires

La conséquence pratique d’une plus grande efficacité est assez simple : plus on peut obtenir d’énergie à partir d’une même surface, moins d’espace est nécessaire pour atteindre une production électrique donnée.

Par exemple, dans une comparaison purement théorique, une cellule ayant une efficacité de 43 % pourrait générer environ 30 % plus d’électricité par unité de surface qu’une autre de 33 %, à condition que les deux fonctionnent dans les mêmes conditions.

Cela aurait des conséquences pour les installations d’autoproduction d’énergie, les grandes centrales solaires, ainsi que pour les applications où chaque mètre carré est particulièrement précieux. Des toits industriels aux systèmes photovoltaïques intégrés dans les bâtiments, augmenter la production sans agrandir la surface installée représente un avantage évident.

Cependant, il existe encore d’importants obstacles. La nouvelle structure devra prouver qu’elle peut être fabriquée à grande échelle, conserver ses performances sur de longues années et offrir des coûts compétitifs. Il faudra également vérifier si les améliorations observées en laboratoire se maintiennent lors du passage au niveau de cellules plus grandes, puis à des modules complets.

L’utilisation de l’argent n’est pas non plus un détail secondaire, car il s’agit d’un matériau relativement cher. Bien que les couches utilisées soient extrêmement fines, leur consommation, leur stabilité et le processus de fabrication seront des facteurs importants pour déterminer la viabilité commerciale.

Pour l’instant, nous avons affaire à une avancée scientifique, et non à une nouvelle génération de panneaux solaires prêts à être installés sur les toits. Cependant, le travail des chercheurs de Barcelone montre qu’il reste encore des pistes à explorer afin d’exploiter plus efficacement une source d’énergie que nous recevons gratuitement chaque jour.

Et si l’on parvient finalement à transformer une part bien plus importante de cette lumière en électricité, l’énergie solaire pourrait continuer à réduire ses coûts sans avoir besoin d’occuper de plus en plus d’espace.