Un assemblage photovoltaïque made in France : le 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 UV-visible. Ces architectures, dites tandems, repoussent la limite théorique à 42 %. 

Les programmes COMPASS et IMPACTS portent sur les conditions nécessaires au succès industriel des cellules tandems pérovskite/Si. COMPASS inclut des travaux d’évaluation du coût de cette technologie ainsi que des études de cycle de vie et recyclabilité, alors qu’IMPACTS vise à développer des cellules tandem pérovskite/Si.

Une étude technico économique de référence a été publiée sur la technologie tandem pérovskite/Si en 2020 (https://doi.org/10.1002/pip.3305). Cette étude a montré que pour avoir une pertinence commerciale, l›efficacité des modules tandem devait atteindre 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 avoir un coût d’environ 5-10c$/W supérieur aux modules c-Si et atteindre des valeurs de coûts énergétiques nivelés égaux.

Une autre étude sur le cycle de vie de ce type de tandem (Salas-Redondo et al. 2020) a montré que les principaux facteurs d’impact environnemental étaient la partie Si, l’onduleur et le système de montage mais que la contribution de la pérovskite au bilan global n’était que de 2 %.

En 2022, une analyse des coûts de production a porté sur la comparaison des coûts des tandem Pérovskite/Si en configuration 2 et 4T. Il s’avère que le processus 2T a des coûts légèrement plus élevés (4,8 contre 4,0c/Wp) que le processus 4T, en raison de coûts d’équipement et de main-d’œuvre plus élevés. Ce type d’analyse alimente les réflexions autour des choix technologiques de l’institut.

De nombreux verrous technologiques pour la fabrication de ces dispositifs concernent la pérovskite (cf. success story sur la technologie en rupture Pérovskite), notamment sur le dépôt de pérovskite sur plus grande surface et sur sa stabilité. Des avancées significatives ont été atteintes à l’IPVF en peu de temps. En effet, un rendement de 21 % et de 15,5 % ont été obtenus respectivement sur des modules tandem de 16 cm² (2021) et sur mini-module de 64 cm² (2022). Une tenue de la performance d’un module pendant 200 h sous illumination a été obtenue en 2020, puis pendant 2 000 h en outdoor sur un module en 2021, et enfin une stabilité en exposition outdoor d’un mini-module à son efficacité initiale (13 %) pendant plus de 4 000 heures (2022).

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 2, 3 ou 4T). Dans la configuration 4T, les propriétés opto-électriques de chaque sous-cellule peuvent être réglées séparément sans avoir à tenir compte de l›adaptation du courant, indispensable dans la configuration 2T. 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, Un travail spécifique sur la/les couche(s) intermédiaire(s) ainsi que sur la pérovskite est nécessaire. Ces travaux ont permis d’atteindre des efficacités de 15 % sur des surfaces de 1cm² et de 11 % sur 9 cm².

Ces programmes ont donné lieu à une trentaine de publications scientifiques sur la technologie tandem pérovskite/Si.