Avec 47,1 %, record d’efficacité pour une cellule photovoltaïque à hétérojonction

Des chercheurs du Laboratoire américain sur les énergies renouvelables (NREL) ont atteint un rendement de 47,1 % avec une cellule photovoltaïque à six jonctions sous une lumière concentrée. Ils dépassent ainsi de 1,1 % le précédent record que détenaient Soitec, le CEA-Leti et l’Institut Fraunhofer ISE depuis 2014.

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Avec 47,1 %, record d’efficacité pour une cellule photovoltaïque à hétérojonction
En raison de son coût, le photovoltaïque à hétérojonction sous concentration reste assez marginal sur Terre, comme ici à Grabels (34). Il est plus courant dans l'espace pour alimenter les satellites.

Une équipe du Laboratoire américain sur les énergies renouvelables (NREL) a mis au point une cellule photovoltaïque affichant un rendement record de 47,1 %. Cette performance a été établie sous une lumière concentrée de 143 suns (1 sun = 100 mW/cm2), équivalent à 143 fois l'irradiance du soleil. Elle dépasse de 1,1 % le précédent record que détenait Soitec en partenariat avec le CEA-Leti et l’Institut Fraunhofer ISE depuis 2014. Sans concentration (1 sun), une variante de la même cellule a atteint un rendement de 39,2 %. Les travaux des chercheurs ont été publiés dans la revue Nature Energy le 13 avril.

Sandwich de six sous-cellules

Alors que Soitec utilisait une cellule à quatre jonctions sous une concentration de 508 suns, le NREL utilise six jonctions sous 143 suns. Empilées les unes sur les autres, les jonctions sont des sous-cellules composées de matériaux qui absorbent les photons dans des bandes de longueurs d’onde différentes. Cela permet de limiter les pertes tout en captant une plus large partie du spectre lumineux par rapport à des cellules au silicium classiques composées d’une seule jonction. Les matériaux utilisés sont des combinaisons de semiconducteurs III-V - appelés ainsi en raison de leur place dans le tableau périodique des éléments - préférés pour leur capacité à absorber la lumière de manière efficace sur quelques microns d’épaisseur.

Toutefois, une telle architecture est chère à produire. Acceptable pour le spatial - les cellules multi-jonctions sont utilisées sur les satellites -, le surcoût est problématique sur Terre. D’où l’idée de réduire la taille des cellules et d’y concentrer la lumière grâce à un dispositif optique. « De cette manière, il est possible de réduire la quantité de matériau d’un facteur cent, voire mille, par rapport à une cellule plane en silicium », précise le NREL dans un communiqué.

Vers 50 % de rendement, et au delà

Les chercheurs affirment pouvoir dépasser 50 % de rendement, notamment en « réduisant les barrières résistives à l’intérieur de la cellule qui entravent le flux de courant ». Des limites physiques empêcheront toutefois d’atteindre les 100 % de rendement. En 2018, Kelsey Horowitz, ingénieure de recherche et analyste au NREL, déclarait à Industrie & Technologies que des cellules photovoltaïques multi-jonctions sous concentration pourraient théoriquement atteindre 70 % avec des hypothèses favorables : « Avec des hypothèses plus réalistes, nous pouvons espérer atteindre 60 %, et 50 % en pratique à plus court terme. » C’est presque chose faite.

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