Photovoltaïque : la technologie tandem est de plus en plus fiable
Une étude menée par 3Sun et récemment publiée dans la prestigieuse revue scientifique « Advanced Science » prouve comment « contourner » les criticités causées par le phénomène d'ombrage partiel sur les technologies silicium-pérovskite.
Comment éviter que le phénomène appelé « reverse bias » ne mette les cellules tandem silicium/pérovskite « sous stress » ? À ces questions a répondu une recherche menée par certains de nos collègues de l'équipe de Recherche et Développement , en collaboration avec le centre de recherche CEA-Liten à l'INES, et publiée dans la prestigieuse revue « Advanced Science » sous le titre « Silicon/Perovskite Tandem Solar Cells with Reverse Bias Stability down to -40V. Unveiling the Role of Electrical and Optical Design ».
Quel a été le point de départ de notre étude ?
C'est ce qu'on appelle les « biais inversés » et c'est l’un des facteurs qui peuvent compromettre l’efficacité et l’intégrité d'un module solaire : il suffit, en effet, d'un ombrage partiel de l'installation causé par un arbre, la neige ou tout autre élément pour soumettre les cellules solaires à une condition de stress capable de mettre en péril leurs performances de manière permanente. Cela peut être particulièrement sévère pour les installations basées sur la technologie à film mince, y compris celles de prochaine génération, comme la pérovskite. Le « reverse bias » a un impact moindre sur les installations basées sur le silicium cristallin (y compris l'hétérojonction - HJT), qui, grâce à des mesures particulières, comme l'intégration de diodes de bypass à l'intérieur du module photovoltaïque, peuvent mieux s'adapter à cet effet.
Cellules à technologie Tandem, hautes performances et résistance
Toujours à la pointe de l'innovation dans le photovoltaïque, 3SUN a étudié l'impact du « reverse bias » sur ses cellules tandem en silicium/perovskite qui sont actuellement en phase de développement. Les résultats, extrêmement prometteurs, rapportés dans une recherche récemment publiée dans « Advanced Science », révèlent que l'accouplement en tandem avec le silicium permet une efficacité de cellule supérieure à 30% tout en parvenant à protéger la pérovskite des effets indésirables du reverse bias.
Selon l'un des protagonistes de la recherche, notre collègue Diego Di Girolamo, Advanced R&D Specialist de 3SUN : « Grâce à ces études, nous avons étudié la réponse des cellules tandem au « reverse bias », en comprenant comment le silicium est en mesure d'aider la pérovskite à ne pas en être affectée. Dans le même temps, la recherche a permis de comprendre comment concevoir au mieux certains aspects clés de la technologie tandem, afin d'assurer une protection aussi efficace que possible de la cellule ».
Giuliana Giuliano et Diego Di Girolamo, de notre équipe R&D, ont participé à la recherche publiée dans « Advance Science ».
Qu'arrive-t-il à une cellule photovoltaïque dans des conditions d'ombrage partiel ?
« Le rapport – poursuit Di Girolamo – se présente comme un compte rendu d'une activité menée pour analyser la stabilité et la fiabilité de la technologie tandem silicium/pérovskite dans des cas de « reverse bias ». C'est un thème central dans le photovoltaïque et, en général, pour tout type de technologie, en particulier pour les plus innovantes, y compris, précisément, la technologie tandem. Le travail, en particulier, observe ce qui se passe lorsque les cellules solaires sont exposées à un ombrage partiel : certaines parviennent à produire de l'énergie, d'autres non, ayant tendance à dissiper l'énergie produite.
Mais qu'arrive-t-il réellement au module lorsqu'il est partiellement dans l'ombre ? « Il faut considérer le fait qu'en règle générale, un module photovoltaïque se compose de nombreuses cellules solaires reliées entre elles en série. Cela implique que le même courant doit les traverser toutes. Mais si une cellule n'est pas exposée à la lumière du soleil, ne parvenant pas à produire de l'énergie, elle finira par dissiper celle produite par les autres cellules « éclairées » : elle chauffe, restituant ainsi des potentiels négatifs », a souligné Di Girolamo, qui poursuit : « Cela implique une contrainte thermique et électrique qui peut compromettre définitivement l’efficacité de la cellule solaire, un aspect particulièrement pertinent pour les technologies à film mince, telles que les modules photovoltaïques qui n'utilisent que de la pérovskite comme matériau actif ».
3SUN : la solution aux criticités du reverse bias
Il s'agit d'un problème non négligeable, car il peut déstabiliser l’ensemble de l’installation. Comme l'explique notre collègue : « La pérovskite est d’ailleurs un matériau assez récent, dont on sait moins que le silicium, et qui tend à présenter une certaine dégradation s'il est soumis au reverse bias. Cependant, la recherche nous a permis de mettre en évidence la manière dont le silicium parvient à la protéger et d'identifier les aspects à considérer pour maximiser cette protection. Nous disposons, en effet, de directives pour concevoir une cellule tandem qui soit stable aux sollicitations de l'ombrage partiel. Notre étude, en outre, pourra permettre de concevoir des protocoles d'évaluation de la fiabilité des cellules tandem par rapport au reverse bias plus complets et décrivant mieux les mécanismes réels de dégradation, un point très pertinent s'agissant d'une technologie innovante ».
Le résultat central est la compréhension qu'en couplant la pérovskite au silicium, il est possible d'utiliser pour les cellules tandem les stratégies conventionnelles mises en œuvre pour le silicium, en préservant la pérovskite et les performances grâce à l'utilisation des diodes de bypass. « Fondamentalement - conclut Di Girolamo -, nous avons observé que, même en soumettant la cellule tandem à une valeur extrêmement stressante pendant un nombre d'heures supérieur à la normale, mais plausible en conditions opérationnelles, comme -40 V, la cellule solaire, si elle est correctement conçue, conserve toute son efficacité initiale.