Le 2 mai 2020, l’IPVF* et le CEA, ont lancé un programme commun dans le domaine du photovoltaïque à l'INES (Institut National de l’Énergie Solaire). L’objectif de cette collaboration,  «Tandem Made in France», est d’accélérer le développement de cellules associant les matériaux pérovskites à la technologie d’hétérojonction de silicium afin de créer un dispositif tandem à haut rendement, transférable à l’échelle industrielle.

Contexte : le principe Tandem

Dans le domaine du PV, des progrès technologiques et économiques très significatifs ont été observés au cours des dernières années, notamment sur la technologie silicium. Toutefois, les cellules présentent une limite de rendement théorique de 29 %, celles-ci atteignant jusqu’à 26,7 % en laboratoire, avec une marge de progression faible. 

L’atteinte de performances très élevées à un coût maîtrisé passera donc inévitablement par des ruptures technologiques.  
L’une des plus prometteuses consiste à associer verticalement deux technologies PV différentes afin d’optimiser la conversion du spectre solaire. Ce principe est connu sous la dénomination Tandem, et permettrait de repousser le rendement théorique atteignable à 42 %.

La technologie évolue : les pérovskites hybrides

Parmi les différents candidats pouvant être associés à la technologie silicium, les pérovskites hybrides sont particulièrement intéressantes. Cette technologie s’est fortement développée ces 10 dernières années et un effort de recherche considérable a permis d’atteindre rapidement de hauts rendements (et de se hisser au niveau des filières les plus avancées. 

Ainsi un record de 25.2 % a pu être obtenu pour des cellules de petites surfaces (< 1 cm²) par une collaboration entre des groupes coréen (KRICT - Korea Research Institute of Chemical Technology-) et américain (MIT - Massachusetts Institute of Technology-). L’un des points forts des pérovskites hybrides est la possibilité de les déposer en couche mince par des procédés atmosphériques réalisés à faible température laissant entrevoir des coûts de production très bas. De plus la grande versatilité de ces matériaux permet d’ajuster finement leurs propriétés optoélectroniques à l’application visée ; dans notre cas la réalisation de dispositifs tandems en association avec le Silicium.  
 

  
Les travaux de R&D et les partenariats de recherche

EDF par le biais de l’IPVF a su identifier rapidement cette thématique avec des premiers travaux menés dès la fin de l’année 2013 qui ont permis la création d’un projet dédié début 2015. Depuis le début de cette année un nouveau programme de recherche est engagé spécifiquement sur l’utilisation des pérovskites hybrides dans un dispositif tandem. Celui-ci est en particulier tourné vers la résolution des problèmes qui limitent aujourd’hui le déploiement de cette technologie à grande échelle : une stabilité encore trop faible et la difficulté de réaliser des dépôts homogènes sur grandes surfaces induisant une baisse drastique des rendements lorsque la taille des dispositifs augmente. Cet effort de recherche a permis de maitriser un savoir-faire de haut niveau sur le dépôt de couches, la fabrication de dispositifs et leur caractérisation. 
En parallèle le CEA au sein de l’INES a mis au point une technologie de cellule solaire à base de Silicium (appelé cellule hétérojonction) qui présente des performances très élevées tout en étant particulièrement bien adaptée à une intégration en tant que cellule inférieure d’un dispositif tandem. L’INES a également engagé des travaux de R&D sur la technologie pérovskite avec l’obtention de résultats très intéressants. 

L’enjeu de cette collaboration est de favoriser l’échange entre l’IPVF et l’INES afin d’associer les compétences complémentaires de ces deux instituts et d’être en mesure de proposer des innovations en rupture afin d’atteindre et dépasser les 30 % de rendement en maitrisant les couts de fabrication de telles cellules. Le but est également de nous positionner dans une compétition mondiale accrue et à terme de permettre l’émergence d’une technologie française compétitive. 
  
Contact : Jean Rousset, ingénieur chercheur sur les technologies solaires R&D d'EDF 
*IPVF : Institut photovoltaïque d’Ile de France - https://www.ipvf.fr/