Préparer l’avenir des technologies photovoltaïques

Les cellules photovoltaïques utilisées dans les panneaux solaires actuels sont théoriquement capables de convertir jusqu’à 30% de l’énergie solaire en électricité. Dans la pratique, elles sont majoritairement composées de silicium, et leur efficacité est proche de 22 à 23 % pour les cellules commerciales, avec des records à plus de 27 % en laboratoire. Pour dépasser cette limite, les scientifiques du monde entier développent une nouvelle génération de cellules solaires, appelées « cellules tandem ». Celles-ci sont constituées non plus d’un mais de deux matériaux absorbant la lumière du soleil, et ce à des longueurs d’ondes différentes. La cellule résultant de cette association absorbe une plus grande proportion de l’énergie solaire.

L’objectif des recherches actuelles sur les cellules tandem est de créer, à bas coût, des panneaux solaires de grande surface, efficaces et avec une grande durée de vie. Les principaux matériaux étudiés pour être associés au silicium, les pérovskites et le CIGS (un alliage de cuivre, indium, galium et sélénium), présentent chacun des avantages et des inconvénients. Actuellement, les pérovskites ont une meilleure efficacité de conversion de l’énergie solaire en électricité que le CIGS, mais leur concurrent est plus durable et a fait l’objet de développements industriels plus matures, sur de grandes surfaces.

Afin de positionner l’industrie française dans ces avancées technologiques où il est actuellement difficile de prédire quels matériaux perceront prochainement, Stéphane Collin, directeur de recherche CNRS au Centre de nanosciences et nanotechnologies1 , porte le projet IOTA. Il a pour objectif de développer des briques technologiques transversales qui faciliteront l’émergence des cellules tandem de demain, et ce quels que soient les matériaux qui la composeront.

Avec 16 laboratoires impliqués dans le projet IOTA, les expertises technologiques rassemblées au sein de ce projet sont nombreuses.

L’un des défis que cette communauté scientifique cherche à relever est l’association entre les deux couches qui composent la cellule tandem. En effet, afin de bien capter la lumière, les matériaux absorbants des cellules photovoltaïques sont texturés, c’est-à-dire que leur surface a été travaillée et est rugueuse. La texturation des couches pose cependant une difficulté dans la fabrication de cellules tandem, les deux couches absorbantes se devant d’être reliées intimement et d’adhérer entre elles afin d’optimiser le flux d’électricité. 

Le projet cherche également à développer de nouveaux matériaux à mettre à l’interface entre les cellules absorbantes et le reste de la cellule photovoltaïque afin de maximiser la collecte d’électricité. La nature de cette couche et sa composition sont actuellement sujet d’intenses recherches dans la communauté scientifique, notamment pour les cellules tandem.

Le projet IOTA crée donc des synergies nécessaires pour lever des verrous technologiques et optimiser les cellules photovoltaïques de demain, et cherche à positionner l’industrie française dans cet écosystème en constante évolution.

Ce projet fait partie du Programme et équipements prioritaires de recherche (PEPR) « Système énergétique et énergies renouvelables » (TASE) et s’inscrit parfaitement dans ses enjeux, qui sont de lever les verrous associés au développement des réseaux d’énergie et des cellules photovoltaïques à haut rendement et à impact environnemental minimisé. Les 47 PEPR, opérés par l’ANR et pilotés ou copilotés en majorité par le CNRS, visent à renforcer l’état de l’art de domaines scientifiques français liés aux enjeux nationaux et européens actuels avec des impacts sociétaux.

• 1C2N – CNRS/Université Paris-Saclay/Université Paris-Cité