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De l’argent pour doper le rendement des cellules solaires : la découverte des chercheurs
À l’Institut de sciences photoniques de Barcelone (ICFO), une équipe de physiciens a remplacé l’électrode transparente d’une cellule solaire organique par un film d’argent de six nanomètres. Grâce à ce miroir partiel, une partie de la lumière habituellement perdue par la cellule est renvoyée vers l’intérieur, et son rendement est en hausse.
Sous le Soleil, une cellule solaire absorbe la lumière, mais une petite partie de cette énergie est réémise sous forme d’une faible lueur infrarouge. Depuis la Terre, le Soleil occupe une portion minuscule du ciel, et ses rayons frappent donc la cellule dans un cône très étroit. La lueur de la cellule est en revanche émise dans presque toutes les directions de l’hémisphère au-dessus d’elle. Les physiciens appellent ce déséquilibre la perte de Boltzmann, et il est intégré au calcul de la limite de Shockley-Queisser. Pour une cellule à une seule jonction, ce plafond théorique de rendement est fixé à 33,16 %. En resserrant le cône d’émission de leur prototype, les chercheurs de l’ICFO ont réduit cette perte, longtemps tenue pour inévitable, avec l’espoir de faire sauter ce plafond.
Pour franchir la limite de Shockley-Queisser, les fabricants empilent en général deux matériaux, et chacun capte une portion différente du spectre solaire. Le chinois Longi a porté en juillet le record de ses cellules tandem silicium-pérovskite à 35,5 %. Ce résultat a été certifié par le laboratoire d’essais solaires du Centre commun de recherche de la Commission européenne.
L’équipe de Jordi Martorell, professeur à l’ICFO et à l’Université polytechnique de Catalogne, a conservé une seule couche active, en mélange organique PM6:Y6. Sur l’avant de la cellule, ses chercheurs ont troqué l’électrode classique en oxyde d’indium-étain contre un film d’argent de six nanomètres d’épaisseur, recouvert d’oxyde de tungstène. Entre ce film et l’électrode arrière, elle aussi en argent, la couche active est enfermée dans une cavité optique. Les photons émis en biais sont renvoyés vers l’intérieur, alors que les rayons du Soleil, qui arrivent presque de face, passent à travers l’argent.
Dans leur article, les auteurs présentent d’ailleurs leur méthode en alternative aux cellules multijonctions. L’argument est aussi industriel. « La simplicité de conception de la cellule à cavité n’introduit aucune complexité de fabrication supplémentaire, contrairement à de nombreuses approches actuellement explorées pour dépasser la limite de Shockley-Queisser », souligne Francisco Bernal Texca, premier auteur de l’étude.
Francisco Bernal Texca avait consacré un chapitre de sa thèse, soutenue à l’ICFO en novembre 2024, à la hausse de tension d’une cellule par la restriction de son émission de photons. Dans les mesures publiées le 3 septembre dans la revue Energy & Environmental Science, le rendement de la meilleure cellule à cavité est de 19,08 %, contre 18,23 % pour la meilleure cellule de référence à électrode d’oxyde d’indium-étain. Pour les auteurs, aucune cellule organique inversée PM6:Y6 n’avait encore dépassé ce score. L’écart est faible, mais la tension et le courant de la cellule sont en hausse en même temps, et jamais les deux n’avaient été relevés ensemble avec cette approche.
Le rendement de 43 % mis en avant par l’ICFO est un calcul théorique. D’après les chercheurs, une cellule à une seule jonction pourrait dépasser légèrement ce seuil si son cône d’émission était aussi étroit que celui de la lumière solaire, pour un matériau à bande interdite de 1,16 électronvolt. TechRadar rappelle qu’il s’agit d’une estimation du potentiel de la méthode et que les gains observés en laboratoire sont faibles.
Jordi Martorell défend malgré tout la course aux points de rendement. « Il est essentiel d’atteindre des rendements plus élevés, car cela se traduit directement par un coût par watt plus faible et une utilisation plus efficace des terres et des matériaux pour le déploiement de l’énergie solaire », explique le chercheur. Le physicien ajo