Amélioration de l'efficacité solaire : le rôle des cellules tandem à pérovskite dans la technologie solaire moderne

Principes fondamentaux des matériaux pérovskites dans les cellules solaires

Les matériaux pérovskites utilisés dans les cellules solaires sont définis par leur structure cristalline particulière, organisée selon le schéma ABX.₃ La formule, où “ A ” et “ B ” sont des cations de rayons ioniques différents, et “ X ” est un anion généralement constitué d'halogénures tels que l'iodure, le bromure ou le chlorure. L'iodure de plomb et de méthylammonium (MAPbI₃)₃Ce composé est un matériau pérovskite à base de plomb pour cellules solaires, largement étudié pour la fabrication de dispositifs en raison de ses propriétés optoélectroniques favorables. Son réseau cristallin permet des transitions directes entre les bandes interdites, autorisant des coefficients d'absorption élevés, de l'ordre de 10⁴.⁵ cm^-1, permettant aux couches de pérovskite d'une épaisseur de 300 à 600 nm d'absorber plus de 90% de lumière solaire incidente.

Les technologies solaires à base de pérovskite présentent des bandes interdites ajustables, généralement entre 1,5 eV et 2,3 eV, grâce à une ingénierie de la composition – par exemple, en faisant varier la teneur en halogénures ou en incorporant des cations formamidinium (FA) et césium (Cs). Cet ajustement permet d'optimiser le rendement des cellules solaires grâce à une tension en circuit ouvert (V_oc) accrue._oc) jusqu'à 1,3 V et les densités de courant de court-circuit (J_sc) au-dessus de 20 mA/cm² Sous un éclairement AM1.5G. Comparées au silicium monocristallin (bande interdite de 1,12 eV), les cellules solaires à pérovskite offrent une absorption plus élevée par unité d'épaisseur, permettant ainsi de fabriquer des cellules plus fines et potentiellement moins coûteuses. photovoltaïque modules.

D'autres formulations de pérovskite existent, notamment à base d'étain (Sn) et à cations mixtes, conçues pour atténuer la toxicité et améliorer la stabilité thermique et hygrométrique. Cependant, les pérovskites à base d'étain présentent généralement des rendements inférieurs (environ 10 à 15 %) et sont sujettes à l'oxydation. La stabilité demeure un obstacle majeur : les cellules solaires à pérovskite haute performance actuelles subissent une dégradation de leur rendement relatif inférieure à 11 % par 1 000 heures dans des conditions standard de chaleur humide (85 % d'humidité relative à 85 °C) et d'exposition aux UV, conformément à la norme CEI 61215. Les progrès réalisés en matière d'encapsulation et d'ingénierie de la composition visent des durées de vie opérationnelles supérieures à 20 ans dans des applications photovoltaïques réalistes.

Conception et architecture des cellules solaires tandem à pérovskite

Les architectures de cellules solaires tandem intègrent deux ou plusieurs sous-cellules photovoltaïques aux spectres d'absorption complémentaires, atténuant ainsi les pertes par thermalisation et transmission caractéristiques des dispositifs à jonction unique. Les cellules solaires tandem à pérovskite associent généralement une cellule supérieure en pérovskite à large bande interdite (environ 1,68-1,75 eV) à une cellule inférieure en silicium à bande interdite plus faible (environ 1,1 eV) afin de maximiser l'utilisation du spectre solaire en absorbant séquentiellement les photons de haute et de basse énergie, améliorant ainsi le rendement global de la cellule solaire.

• Les cellules solaires tandem pérovskite-silicium utilisent généralement des cellules arrière à émetteur passivé (PERC) ou des cellules inférieures en silicium à hétérojonction avec couche mince intrinsèque (HIT), permettant une intégration pratique dans les lignes de fabrication existantes.
• Les cellules tandem entièrement pérovskite-pérovskite utilisent deux pérovskites empilées avec des bandes interdites distinctes — par exemple, une cellule supérieure à large bande interdite (~1,75 eV) combinée à une cellule inférieure à bande interdite étroite (~1,2 eV) — pour améliorer l'adaptation du courant et réduire les pertes dues au désaccord spectral.
• Les cellules solaires à pérovskite inversées configurent les couches de transport de charges de sorte que les trous soient collectés en premier lieu du côté de l'oxyde conducteur transparent. Cette polarité inversée permet un traitement en solution à basse température et réduit les défauts d'interface, ce qui améliore la mise à l'échelle et la durabilité du dispositif.
• La couche d'interconnexion, ou couche de recombinaison, entre les sous-cellules nécessite une conductivité électrique élevée (résistance de surface). < 1 Ω/sq) et transparence optique (>La transmittance du 90% (entre 400 et 1100 nm) est optimisée afin de minimiser les pertes par effet Joule et par réflexion. Dans les cellules tandem actuellement utilisées à l'échelle de la recherche, des matériaux tels que l'oxyde d'indium-étain (ITO) déposé par pulvérisation cathodique ou des oxydes métalliques ultra-minces associés à des couches organiques répondent à ces critères.

Ces facteurs de conception influencent la complexité de fabrication, les tandems pérovskite-silicium étant privilégiés pour une adoption commerciale à court terme en raison de la maturité de la technologie photovoltaïque du silicium et du nombre réduit d'étapes de traitement par rapport aux tandems entièrement en pérovskite.

Métriques de performance en matière d'efficacité des cellules tandem à pérovskite

Les cellules solaires tandem à pérovskite ont atteint des rendements de conversion de puissance (PCE) certifiés supérieurs à 301 TP3T, soit une augmentation significative par rapport à la limite Shockley-Queisser d'environ 29,11 TP3T pour les cellules silicium à jonction unique sous un éclairement AM1.5G de 1 000 W/m² à 25 °C dans des conditions de test standard. Par exemple, en 2025, le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) a annoncé un rendement record de 31,251 TP3T pour des cellules tandem pérovskite-silicium utilisant une cellule supérieure en pérovskite à triple cation à large bande interdite, déposée sur des émetteurs passivés disponibles dans le commerce.

• Les principaux mécanismes de perte comprennent la recombinaison de charges non radiative aux interfaces pérovskite/couche de transport et au sein de la cellule inférieure en silicium, les taux de recombinaison mesurés étant réduits à <10p>5 cm^-3 par des techniques de passivation avancées telles que le dépôt de couches atomiques (ALD) d'aluminium₂O₃ et le dépôt chimique en bain.
• La passivation de surface optimisée, associée à une ingénierie de bande interdite graduelle, améliore l'efficacité d'extraction des porteurs, minimisant ainsi les pertes de tension généralement limitées à <100 mV à l'interface pérovskite.
• Les modules tandem pérovskites conformes aux normes IEC 61215 et IEC 61730 subissent des tests de durée de vie accélérés comprenant des cycles thermiques (-40 °C à 85 °C, 200 cycles), une chaleur humide (85% humidité relative à 85 °C, 1000 heures) et une exposition aux UV (équivalent à 1 kW/m² pendant 1000 heures) afin de valider l'endurance du module et la stabilité de la puissance de sortie.

Ces progrès en matière d'efficacité positionnent les cellules solaires tandem à pérovskite comme des améliorations viables de la technologie solaire, applicables à diverses applications de cellules solaires, du résidentiel à l'échelle des services publics, en accord avec les critères d'investissement recherchant des actifs photovoltaïques stables et performants.

Défis et solutions technologiques dans le développement en tandem de pérovskites

La dégradation environnementale demeure le principal obstacle au développement des technologies solaires à base de pérovskite. L'infiltration d'humidité provoque l'hydrolyse des couches de pérovskite, le rayonnement ultraviolet induit la migration des ions et les cycles thermiques favorisent les contraintes mécaniques, contribuant ainsi à une dégradation accélérée du matériau. Les stratégies d'encapsulation combinant des modules verre/verre avec des agents d'étanchéité et des dessiccants ont permis de réduire le taux de transmission de la vapeur d'eau (WVTR) à moins de 10⁻⁵.^-4 g/m²/jour, permettant une meilleure longévité cellulaire.

La toxicité du plomb dans l'iodure de plomb et de méthylammonium et les formulations apparentées suscite un examen réglementaire approfondi dans le cadre de réglementations telles que RoHS et DEEE au sein de l'UE. Les réponses de l'industrie comprennent :

• L'expérimentation de cellules solaires tandem à pérovskite sans plomb utilisant des pérovskites à base d'étain (Sn) est prometteuse, bien que ces cellules atteignent actuellement des rendements de conversion de puissance (PCE) inférieurs à 15%, limités par l'oxydation de Sn en Sn.⁴⁺ et une dégradation rapide.
• Développement de méthodes de séquestration du plomb et de protocoles de recyclage conçus pour récupérer le plomb des modules en fin de vie, en assurant un confinement bien en deçà des limites de seuil acceptables (niveaux de parties par million) pendant les étapes du cycle de vie d'élimination et de recyclage.

Le passage à une production à grande échelle implique le développement de techniques de dépôt plus performantes, comme le revêtement par centrifugation à l'échelle du laboratoire, permettant de produire des films uniformes sur des surfaces supérieures à 1 m². Cette étape est essentielle pour la production commerciale de modules solaires tandem en pérovskite. Les méthodes de dépôt en phase vapeur, notamment le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et le dépôt physique en phase vapeur (PVD), contribuent également à l'uniformité des couches et à l'augmentation du débit de production.

L'encapsulation améliorée combine des films barrières multicouches avec des stabilisateurs UV, un scellement des bords et des améliorations du substrat pour atteindre une durée de vie opérationnelle des modules de 20 à 25 ans, conformément aux normes établies pour les modules en silicium selon la norme IEC 61215. Cela prolonge la rentabilité en réduisant la fréquence de remplacement et les coûts de maintenance des installations solaires.

Intégration des cellules tandem à pérovskite dans les projets solaires commerciaux

Les cellules solaires tandem à pérovskite peuvent être utilisées dans diverses applications photovoltaïques, notamment les systèmes photovoltaïques en toiture, les centrales au sol et les installations agrivoltaïques intégrant l'agriculture sous les panneaux solaires. Leur rendement accru permet de réduire la surface des modules nécessaire pour obtenir une puissance donnée, comparativement aux cellules en silicium monocristallin.

• Les modules tandem pérovskite-silicium sont conçus pour être compatibles avec les composants d'équilibrage de système existants à base de silicium, notamment les onduleurs et le matériel de montage, ce qui permet des possibilités de modernisation ou des réseaux à technologies mixtes qui optimisent l'utilisation des terres et le rendement énergétique.
• La réduction du nombre de panneaux diminue les besoins de maintenance et la complexité du système, ce qui se traduit par des réductions potentielles du coût actualisé de l'électricité (LCOE) estimées entre 5% et 15%, sous réserve de facteurs spécifiques au site tels que l'irradiance et l'échelle de l'installation.

Pour des projets comme la centrale Solar Plus Garden de 10 MW, l'intégration de cellules solaires tandem en pérovskite offre une voie d'augmentation progressive de la capacité sans extension de l'emprise au sol, conformément au modèle d'investissement communautaire du projet. Ce modèle permet de tirer parti des revenus de l'énergie solaire pour financer abonnement au jardin et des activités communautaires connexes, en harmonisant les rendements financiers avec les impacts environnementaux et sociaux.

Tendances émergentes : Cellules solaires pérovskites inversées et leur rôle dans les architectures tandem

Les cellules solaires à pérovskite inversées utilisent une structure multicouche inversée : la couche de transport de trous (HTL) se trouve sous l’absorbeur de pérovskite et la couche de transport d’électrons (ETL) au-dessus, contrairement à l’architecture traditionnelle. Cette configuration permet un traitement en solution à basse température (inférieure à 150 °C), ce qui raccourcit les cycles de fabrication et préserve l’intégrité du substrat.

Des publications récentes et des données de laboratoire de 2025 indiquent que les cellules solaires pérovskites inversées atteignent des rendements de conversion de puissance jusqu'à 251 TP3T en tant que cellules supérieures autonomes, ce qui en fait des candidates idéales pour l'intégration dans des systèmes photovoltaïques en tandem. L'architecture améliore la résistance environnementale grâce à l'utilisation de couches de transport robustes telles que l'oxyde de nickel (NiO) ou des HTL polymères, améliorant ainsi les propriétés de barrière à l'humidité et à l'oxygène.

• La géométrie inversée favorise une migration ionique réduite et atténue les effets d'hystérésis couramment observés dans les cellules solaires pérovskites standard, contribuant à une stabilité opérationnelle améliorée sur plus de 1000 heures dans le cadre du vieillissement accéléré IEC 61215.
• Dans les configurations en tandem, les cellules solaires pérovskites inversées améliorent le couplage électrique avec les sous-cellules inférieures grâce à une recombinaison intercouche optimisée, réduisant les pertes de tension à moins de 0,05 V par interface.

Ces avantages font des cellules solaires pérovskites inversées une option évolutive et compétitive en termes de performances dans le paysage en constante évolution du développement de la technologie solaire tandem.

Perspectives à long terme de la commercialisation des cellules solaires tandem à pérovskite

La commercialisation des modules solaires tandem en pérovskite devrait débuter entre 2028 et 2030, grâce aux étapes clés de la production pilote et aux progrès réalisés dans les techniques de dépôt à grande échelle. Une certification conforme aux normes IEC 61215 et IEC 61730, ainsi qu'aux futures directives spécifiques à la pérovskite, sera indispensable à l'acceptation par le marché et à l'obtention des financements.

La contribution des pays à l'expansion mondiale des capacités photovoltaïques devrait augmenter sensiblement entre 2027 et 2035, notamment dans les régions bénéficiant d'un fort ensoleillement et où les marchés solaires sont bien établis. Le cadre réglementaire devrait évoluer, en mettant l'accent sur le respect de l'environnement, en particulier en ce qui concerne l'utilisation du plomb et le recyclage des modules.

• Les efforts de recherche se concentreront intensivement sur le développement de pérovskites sans plomb capables d'atteindre un PCE supérieur à 20% tout en maintenant une stabilité opérationnelle à long terme supérieure à 10 ans.
• Des initiatives de normalisation des tests de modules pérovskites sont en cours pour compléter les normes CEI existantes, incluant probablement des protocoles pour la photostabilité à long terme et la durabilité aux contraintes environnementales spécifiques aux technologies solaires pérovskites.

Pour les investisseurs et les développeurs de projets, ces facteurs soulignent l'importance du calendrier stratégique et de l'évaluation des risques lorsqu'il s'agit d'envisager l'intégration de cellules solaires tandem à pérovskite dans un portefeuille, en tenant compte de la maturité technologique, de la préparation de la chaîne d'approvisionnement et des évolutions réglementaires.

FAQ

Qu’est-ce qui distingue les cellules solaires tandem à pérovskite des panneaux solaires conventionnels en silicium ?
Les cellules solaires tandem à pérovskite intègrent une cellule supérieure en pérovskite avec une cellule inférieure en silicium, ou deux sous-cellules en pérovskite complémentaires, permettant la capture d'un spectre solaire plus large (300–1200 nm), ce qui donne des rendements certifiés supérieurs à 30%, alors que les panneaux en silicium conventionnels atteignent généralement un rendement de 22–24% dans des conditions de test standard (IEC 60904-3 AM1.5G).

Quelle est la stabilité des cellules solaires tandem à pérovskite en conditions extérieures ?
Les cellules solaires tandem à pérovskite encapsulée présentent actuellement une stabilité avec une perte d'efficacité relative inférieure à 10⁻¹⁰ après 1 000 à 2 000 heures de tests en milieu humide et chaud (norme CEI 61215) et de cyclage thermique (norme CEI 61215-2). Des durées de vie opérationnelles de 10 à 20 ans sont visées grâce aux progrès réalisés dans la formulation des matériaux, la passivation de surface et les techniques d'encapsulation multicouches conçues pour inhiber la dégradation par l'humidité et les UV.

La technologie tandem pérovskite peut-elle être intégrée aux installations solaires existantes ?
Oui. Les cellules tandem pérovskite-silicium sont largement compatibles avec les composants d'équilibrage de système PV existants, permettant une modernisation des installations existantes ou de nouvelles installations sans modifications structurelles importantes, sous réserve de la capacité de l'onduleur et de la conformité du câblage électrique aux normes d'interconnexion au réseau telles que la norme IEC 61727.

Quels sont les problèmes environnementaux liés à l'utilisation des matériaux pérovskites ?
Le principal problème environnemental réside dans la toxicité du plomb inhérente aux pérovskites à base de plomb. Toutefois, les recherches en cours sur les formulations sans plomb et les procédés de recyclage en boucle fermée visent à minimiser l'impact environnemental et à se conformer à la réglementation sur les matières dangereuses, notamment les directives européennes REACH et DEEE.

Conclusion

Les cellules solaires tandem à pérovskite représentent une avancée majeure dans le domaine de l'énergie solaire, améliorant considérablement le rendement des cellules au-delà des limites des cellules à simple jonction classiques. Cette technologie se prête à une intégration dans diverses applications, notamment des projets tels que la centrale de 10 MW de Solar Plus Garden, en accord avec son modèle d'investissement axé sur la communauté et le développement durable. Le suivi des améliorations de la stabilité des dispositifs, des évolutions en matière de production à grande échelle et de la normalisation réglementaire au cours des 2 à 4 prochaines années permettra d'orienter les stratégies d'adoption optimales. Cette approche éclairée contribuera à maximiser la performance des installations et à assurer un retour sur investissement durable dans le secteur de l'énergie solaire.