Cellule tandem pérovskite-silicium : 30,77 % de rendement certifié sur silicium texturé industriel

Une cellule tandem pérovskite-silicium construite sur du silicium texturé de type industriel a atteint un rendement stabilisé certifié de 30,77 %, grâce à un traitement de « cicatrisation » appliqué à la couche de pérovskite après son dépôt. Les travaux, menés par une équipe dirigée par des scientifiques de l’Université de Nankin, en Chine, ont été publiés dans la revue Nature Communications.

Pourquoi le silicium texturé pose problème aux pérovskites

Les cellules en silicium cristallin produites en usine portent à leur surface des pyramides microscopiques. Cette texture réduit la réflexion et piège mieux la lumière, ce qui augmente la part du rayonnement solaire convertie en électricité.

Pour une cellule tandem, cette surface irrégulière devient un obstacle : il est difficile d’y déposer une couche de pérovskite uniforme et sans défaut. Or obtenir une couverture « conforme », qui épouse fidèlement le relief, est une condition pour marier les hauts rendements du tandem avec les procédés de fabrication déjà en place pour le silicium.

Le principe de la « cicatrisation »

Plutôt que d’intégrer l’additif dans la solution de départ, les chercheurs appliquent une solution de MASCN sur le film de pérovskite déjà formé. Ce traitement relance la croissance des cristaux tout en conservant la couverture du relief texturé.

Selon l’équipe, ce mécanisme de mûrissement d’Ostwald produit des films de pérovskite de haute qualité, avec un nombre minimal de joints de grains et de faibles densités de défauts. Ce sont précisément ces défauts qui provoquent des pertes de tension dans les cellules.

Une fabrication en plusieurs étapes

Les chercheurs ont utilisé des plaquettes de silicium de type n texturées sur leurs deux faces, découpées en substrats de 2,5 × 2,5 cm. La cellule inférieure en silicium reçoit des couches de silicium amorphe hydrogéné et d’oxyde d’indium-étain (ITO).

La cellule supérieure est obtenue par une méthode hybride en deux étapes : coévaporation thermique d’iodure de plomb et de bromure de césium, puis dépôt par centrifugation d’iodure et de bromure de formamidinium. Les dispositifs traités au MASCN sont chauffés à 90 °C sous azote, puis recuits à 150 °C à l’air.

L’empilement complet

La cellule comprend, de l’arrière vers l’avant : un contact en argent, de l’ITO, la cellule en silicium, une seconde couche d’ITO, une couche de transport des trous en oxyde de nickel (NiOx), une monocouche auto-assemblée, l’absorbeur en pérovskite à large bande interdite, une couche de transport d’électrons en fullerène (C60), une couche tampon en oxyde d’étain (SnO2), une électrode transparente en oxyde d’indium-zinc (IZO), des contacts en argent et un revêtement antireflet en fluorure de magnésium (MgF2).

Des résultats certifiés et une stabilité mesurée

L’équipe a comparé cellules traitées et cellules témoins, mesuré la réponse spectrale de chaque sous-cellule et fait certifier son meilleur dispositif par un organisme indépendant. Elle a aussi caractérisé les films par microscopie électronique à balayage, rayons X et photoluminescence.

Le dispositif le plus performant affiche un rendement tandem stabilisé certifié de 30,77 % et une tension en circuit ouvert de 1,915 V sur 1,164 cm². Une cellule encapsulée a conservé ses performances initiales après 3 400 heures de suivi continu du point de puissance maximale, sous un éclairage équivalent à un soleil et dans des conditions ambiantes.

Ce que cela change pour la filière

L’intérêt de ces travaux tient moins au chiffre de rendement qu’au support utilisé : un silicium texturé de type industriel, celui que les usines savent déjà produire. Les chercheurs y voient une méthode pour lever la limite de rendement liée aux pertes de phototension sur ce type de substrat.

Le résultat reste un résultat de laboratoire, sur une surface d’à peine plus d’un centimètre carré. Le passage à des modules de grande taille et la tenue sur plusieurs décennies en conditions réelles restent à démontrer. Pour suivre l’état de l’art des rendements, le tableau des records du NREL fait référence.

Questions fréquentes

Qu’est-ce qu’une cellule tandem pérovskite-silicium ?

C’est une cellule qui superpose deux matériaux : une couche de pérovskite, qui capte surtout la partie bleue et visible du spectre, au-dessus d’une cellule en silicium, qui exploite le rouge et l’infrarouge. Cette combinaison permet de dépasser le rendement maximal d’une cellule en silicium seule.

Pourquoi utiliser du silicium texturé pour une cellule tandem ?

Le silicium texturé, couvert de micro-pyramides, réfléchit moins la lumière et la piège mieux. C’est aussi le standard des usines de cellules en silicium : réussir un tandem sur ce support facilite son éventuelle industrialisation.

Les panneaux pérovskite-silicium sont-ils déjà disponibles pour les particuliers ?

Le résultat de l’Université de Nankin concerne une cellule de laboratoire de 1,164 cm². La question de la durabilité des pérovskites sur des décennies reste l’enjeu principal avant une diffusion à grande échelle sur les toitures.