Une technologie photovoltaïque de rupture made in France : la Pérovskite

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 à base de pérovskite.
En effet, la cellule solaire à pérovskite a révolutionné la recherche dans le photovoltaïque. En seulement dix ans, le rendement obtenu avec ce matériau est passé de 3,5 % (en 2009) à plus de 25 % aujourd’hui pour des cellules de petite taille (< 1 cm2). Cela fait de la pérovskite le rival de technologies établies (CIGS, CdTe) et la rapproche des records du silicium cristallin (c-Si). L’abondance des matériaux constitutifs et le dépôt peu couteux par traitement en solution de la pérovskite lui promettent un succès industriel. Les deux principaux verrous à ce succès sont la réalisation de dépôts de grande taille et la stabilité du rendement.
Le programme II de l’IPVF vise à développer des cellules tandem pérovskite/Silicium. Les verrous technologiques à lever pour la fabrication de ces dispositifs tandem concernent en premier lieu la technologie pérovskite.
Ainsi, au sein de ce programme de nombreuses actions sont entreprises pour produire des couches de pérovskite sur grande surface. En particulier un procédé de dépôt de couche de pérovskite hybride est en cours de développement : le dépôt d’une couche humide par slot die coating suivi d’une étape d’extraction des solvants et de recuit. Celle-ci a permis l’obtention de résultats prometteurs avec, en 2021, la production à l’IPVF d’un mini module de 40 cm² avec un rendement de 17%.
Cette recherche se poursuit en 2022 et sur les années suivantes, avec également le test de différentes techniques telles que les séchages par mise sous vide, par flux d’air ou encore par recuit infrarouge afin de développer un procédé autorisant des cadences de production élevées.
Citons comme avancées majeures

• 20.5% de rendement sur des cellules de petite taille produites par spin coating (novembre 2020)
• 20% de rendement sur des cellules de petite taille produites par slot-die, procédé permettant l’augmentation de taille et donc l’industrialisation (septembre 2020)
• 18.5% pour une cellule semi-transparente
• 17% sur mini-modules de 40 cm² (décembre 2021)
• Stabilité > 92% après 500 heures d’illumination continue

Le programme inclut également des actions pour comprendre et limiter les phénomènes de dégradation qui apparaissent au cours du temps (évolution de la composition de la pérovskite, phénomènes d’interface,…). Deux types de mécanismes sont à distinguer. Le premier concerne la stabilité intrinsèque. Afin de diminuer ces effets nous nous intéressons à des solutions de passivation des joints de grain de la pérovskite ainsi que des interfaces entre cette dernière et les différents matériaux extracteurs de trous et d’électrons. Le deuxième type de dégradation est lié à l’exposition des dispositifs solaires à différents type d’atmosphères. Pour y remédier nous travaillons à isoler les dispositifs photovoltaïques par la mise en œuvre de méthodes d’encapsulation efficaces. Un banc de test outdoor a été mis en place en 2021 en collaboration avec le SIRTA afin de tester la stabilité de mini modules de pérovskite. Deux résultats illustrent l’avancée de l’équipe dans le domaine :

• 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.

La recherche se poursuivra dans les années à venir afin d’atteindre des durées de vie compatibles avec la commercialisation de cette technologie. À ce jour, le programme II a donné lieu à une quinzaine de publications scientifiques depuis 2020 Un partenariat avec un industriel sur un projet d’objet connecté alimenté via des mini modules pérovskites est en cours à l’IPVF. Ce type d’application est moins contraignant d’un point de vue taille et stabilité des mini modules et n’est que la première étape de commercialisation de cette technologie.