Un assemblage photovoltaïque made in France : le tandem Pérovskite / Silicium

L’IPVF, labellisé ITE, est un centre d’excellence né pour fédérer et renforcer la recherche nationale au service des industries françaises et européennes du photovoltaïque.

L’IPVF collabore au développement de produits pour tous les marchés (centrale solaire, BIPV, AgriPV, iOT, etc.), et plus particulièrement les technologies de cellules tandem pérovskite/silicium. Le rendement actuel des cellules photovoltaïques silicium à simple jonction approche de la limite théorique de 29,5 %. Pour le dépasser, il est nécessaire d’y associer d’autres technologies solaires comme la pérovskite, afin de convertir plus efficacement la gamme de longueur d’onde bleue proche UV-B. Ces architectures, dites tandems, repoussent la limite théorique à 42 %. Les programmes I et II de l’IPVF traitent l’éventail des conditions nécessaires au succès industriel des cellules tandems pérovskite sur Silicium. Ainsi le Programme I inclut des travaux d’évaluation du coût de la technologie tandem pérovskite sur Silicium ainsi que des études de cycle de vie et recyclabilité, alors que le Programme II vise à développer des cellules tandem pérovskite/Silicium, i.e. une pérovskite stable réalisable à une échelle industrielle et des architectures de pérovskites sur silicium efficaces.

Une étude technico économique de référence a été publiée sur la technologie tandem pérovskite/ Silicium en 2020 (Oberbeck L, Alvino K, Goraya B, Jubault M. IPVF’s PV technology vision for 2030. Prog Photovolt Res Appl. 2020;1–8. https://doi.org/10.1002/ pip.3305). Cette étude a montré que pour avoir une pertinence commerciale, l’efficacité des modules tandem devait atteindre environ 30%, tout en respectant la durée de vie et le taux de dégradation des modules Silicium cristallin (c-Si). Dans ces conditions les modules tandem pourraient alors avoir un coût d’environ 5-10 c$/W supérieur par rapport aux modules c-Si et atteindre des valeurs de coûts énergétiques nivelés égaux. En parallèle, une étude a été réalisée (SalasRedondo C, et al. 2020. LCA of Perovskite on Si Tandem PV Modules at Industrial Scale. 37th EU PVSEC proceedings. p. 754 – 764.), sur le cycle de vie de ce type de tandems. Cette étude a notamment montré que dans les cellules tandems, les principaux facteurs d’impact environnemental étaient la partie Silicium, l’onduleur et le système de montage mais que la contribution de la pérovskite au bilan global n’était que de 2%.
Sur le plan du développement technique, de nombreux verrous technologiques à lever pour la fabrication de ces dispositifs tandem concernent la pérovskite. Ces éléments ont été développés dans la success story sur la technologie en rupture Pérovskite. Rappelons simplement ici que ces verrous portent sur le dépôt de pérovskite sur grande surface et sur la stabilité de la pérovskite. Une avancée très significative sur ces deux paramètres a été atteinte à l’IPVF en peu de temps. Ainsi sur la taille des dépôts :

• 20,5 % de rendement sur des cellules pérovskite de petite taille (<1 cm²) produites par spin coating en novembre 2020
• 21 % de rendement sur des modules tandem de 16cm2 .

Sur la stabilité :

• En septembre 2020, tenue de la performance d’un module pendant 200h sous illumination • En septembre 2021, tenue d’un module pendant 2000h en outdoor

Le dernier verrou technologique porte sur l’architecture de la cellule tandem. Les approches tandem existent actuellement dans de nombreuses configurations comportant 2, 3 ou 4 contacts électriques (configurations dites aussi 2T, 3T ou 4T). Dans la configuration 4T, les propriétés optiques et électriques de chaque sous-cellule peuvent être réglées séparément sans avoir à tenir compte de l’adaptation du courant. La réalisation du tandem ne présente pas de véritable verrou matériau dans ce cas-là. Depuis 2020, l’IPVF travaille également en étroite collaboration avec l’INES.2S sur la configuration 2T. L’architecture 2T est plus simple au niveau du module mais elle requiert l’adaptation du photocourant entre les deux sous-cellules (pérovskite et silicium), ce qui implique un travail spécifique sur la/les couche(s) intermédiaire(s) ainsi que sur la pérovskite. Ces travaux ont permis d’atteindre fin 2021 des efficacités de 15 % sur des surfaces de 1 cm² et de 11% sur 9 cm².
La recherche se poursuivra dans les années à venir afin d’atteindre les cibles de commercialisation fixées par l’étude technico économique citée plus haut. À ce jour, les programmes I et II ont donné lieu à une vingtaine de publications scientifiques sur la technologie tandem pérovskite sur Silicium.