Les modules tandem repoussent les limites solaires
Des chercheurs de l'Institut Fraunhofer ISE ont développé deux modules solaires en tandem qui dépassent les limites physiques de la technologie classique du silicium. Qu'est-ce qui se cache derrière ce record et où l'utilisation de tels modules haute performance est-elle vraiment rentable ?
Les modules en silicium établis sur le marché atteignent aujourd’hui un rendement d’environ 20 à 24% et sont donc déjà proches de la limite spécifique au matériau de 29,4%. Cette limite est une conséquence de la limite dite de Shockley-Queisser, qui décrit un rendement maximal de 33,2% dans des conditions idéales pour les cellules solaires avec une seule couche de semi-conducteur.
La raison en est la bande interdite du matériau : elle détermine quelles longueurs d’onde de la lumière peuvent être converties en électricité. Si la bande interdite est trop grande, les photons de grande longueur d’onde sont perdus ; si elle est trop petite, une partie de l’énergie s’évapore sous forme de chaleur. Le silicium ne correspond pas exactement à cet optimum théorique, c’est pourquoi la technologie classique du silicium ne permet que des améliorations limitées de l’efficacité.
Principe du tandem
Au lieu d’une seule couche semi-conductrice, on combine plusieurs couches avec des bandes interdites différentes. Chacune de ces couches utilise une partie différente du spectre solaire, des ondes courtes aux ondes longues. Il est ainsi possible de convertir en électricité une quantité nettement plus importante de l’énergie rayonnée, la limite classique d’une seule couche étant de fait dépassée.
En théorie, les cellules tandem permettent d’atteindre des rendements de plus de 60%, selon la combinaison de matériaux et la structure. Le défi technique ne réside pas seulement dans le choix des matériaux, mais aussi dans le fait de les transformer en un module stable qui fonctionne de manière fiable dans des conditions réelles.
Le projet « Vorfahrt » a donné naissance à un module tandem qui, selon les indications du Fraunhofer ISE, atteint un rendement de 34,2%, actuellement le module solaire le plus efficace au monde. Il est basé sur une structure semi-conductrice III-V à triple empilement sur un support en germanium, une architecture initialement développée pour les cellules solaires spatiales.
Le partenaire du projet, Azur Space, a adapté ses cellules spatiales au spectre solaire terrestre et les a mises à l’échelle pour la fabrication des modules. L’entreprise Temicon a apporté une nanostructure à la surface du verre qui minimise les pertes de réflexion et permet ainsi d’obtenir un pourcentage d’efficacité supplémentaire.
Le deuxième module record est issu du projet « Mod30plus ». Les chercheurs y combinent un semi-conducteur III-V avec du silicium, moins cher, au lieu du germanium, et atteignent ainsi un rendement de module de 31,3%. La base est constituée par des cellules tandem III-V/silicium avec un rendement de cellule de 36,1%, qui ont été fabriquées et interconnectées pour la première fois en petite série à l’institut.
La technologie III-V/silicium quitte le statut de simple laboratoire et se dirige vers des processus industriels évolutifs. Les deux modules dépassent clairement la limite physique des modules classiques en silicium, qui est de 29,4%. Une valeur qui a longtemps été considérée comme difficilement atteignable.
Valeurs des modules pour la pratique
En photovoltaïque, on distingue les cellules et les modules. Les cellules sont mesurées dans des conditions de laboratoire idéalisées, les modules sont composés de nombreuses cellules interconnectées, intégrées dans du verre et un cadre. Les surfaces inactives, les pistes conductrices et les réflexions provoquent alors des pertes inévitables.
Par conséquent, les rendements des modules sont toujours inférieurs aux rendements des cellules, même dans le cas de la technique record de Fribourg. Pour les applications réelles, les valeurs des modules sont donc décisives, car sur les toits, les façades ou les véhicules, on installe toujours des modules, jamais des cellules individuelles.
Quand chaque centimètre carré compte
Les modules haute performance deviennent passionnants là où la surface est rare et chère. Par exemple dans le photovoltaïque intégré au bâtiment, où les modules servent d’éléments de façade ou de toit, ou sur les véhicules. Parmi les partenaires du projet, on trouve notamment Audi, ce qui souligne le potentiel pour les applications automobiles.
Efficacité pour le marché de masse
Parallèlement, le Fraunhofer ISE poursuit une autre route en tandem. Il s’agit de modules en silicium pérovskite, développés entre autres en collaboration avec Oxford PV. Un module plein format d’une surface de 1,68 m² atteint déjà 25% d’efficacité et a été produit sur des lignes de fabrication qui conviennent également à la production de masse. Cette technologie vise moins des records absolus qu’une large pénétration du marché avec des matériaux relativement bon marché et devrait, à terme, convenir aux toitures standard. Des groupes de chercheurs, notamment à Hong Kong, annoncent en outre des cellules à base de pérovskite avec des rendements allant jusqu’à 40%, ce qui illustre le dynamisme de ce segment.