Une équipe canadienne bat des records avec des cellules solaires atteignant 2,39 V, ouvrant une nouvelle ère d’efficacité énergétique

La quête pour des sources d’énergie renouvelables plus efficaces est au cœur des préoccupations mondiales actuelles. Dans ce contexte, les avancées technologiques dans le domaine des cellules solaires représentent une lueur d’espoir. Récemment, une équipe de chercheurs de l’Université de Sherbrooke au Canada a réussi à développer des cellules solaires atteignant un voltage de 2,39V, battant ainsi des records précédents dans ce domaine. Cette avancée pourrait bien marquer un tournant significatif dans l’exploitation de l’énergie solaire, offrant des perspectives prometteuses en matière de durabilité énergétique et de réduction des coûts. Cet article explore les détails de cette innovation, ses implications potentielles, et les défis qui restent à surmonter.

Le matériau miracle : III-V

Les cellules solaires développées par l’équipe canadienne sont principalement composées de matériaux connus sous le nom de III-V, un terme qui désigne des alliages formés d’éléments appartenant aux groupes III et V du tableau périodique. Ces matériaux sont particulièrement prisés pour leurs propriétés semi-conductrices et leur capacité à capturer un spectre lumineux étendu, allant de l’ultraviolet à l’infrarouge moyen.

En exploitant ces propriétés, les chercheurs ont pu concevoir des cellules solaires à multijonctions, c’est-à-dire composées de plusieurs couches superposées, chacune optimisée pour convertir différentes longueurs d’onde de lumière. Cela contraste fortement avec les cellules solaires à base de silicium, qui, bien que largement utilisées en raison de leur coût relativement bas, sont limitées par une efficacité maximale d’environ 20% à 25%.

Les cellules III-V, quant à elles, ont déjà atteint des records d’efficacité supérieurs à 39,5%. Cependant, un des principaux obstacles à leur adoption généralisée reste leur coût élevé, pouvant être jusqu’à cent fois supérieur à celui des technologies au silicium. Ce coût prohibitif est principalement dû à la complexité des procédés de fabrication et à la rareté des matériaux utilisés. Néanmoins, les avancées récentes en matière de miniaturisation et de concentration photovoltaïque (CPV) pourraient bien changer la donne.

Miniaturisation et concentration photovoltaïque

[#IPParisRecherche]☀️Dans le contexte actuel de transition énergétique, la conversion de l'énergie solaire en électricité revêt une importance cruciale. Notamment au regard des besoins énergétiques de l’humanité qui s’élèvent chaque année à l’équivalent de l’énergie contenue dans… pic.twitter.com/9LyzRpue1b

— Institut Polytechnique de Paris (@IP_Paris_) November 20, 2024

Une des innovations majeures de cette recherche réside dans la miniaturisation des cellules solaires à une échelle sub-millimétrique. Cette réduction de taille permet non seulement de mieux gérer la chaleur, mais aussi de réduire les pertes énergétiques, deux facteurs cruciaux pour améliorer l’efficacité globale des cellules.

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L’approche CPV, ou concentration photovoltaïque, joue également un rôle clé. En utilisant des lentilles pour concentrer la lumière du soleil sur de petites cellules, il devient possible de maximiser l’énergie capturée tout en réduisant la quantité de matériau III-V nécessaire. Cela permet non seulement de diminuer les coûts, mais aussi d’augmenter le voltage, comme en témoigne la performance record de 2,39V atteinte par l’équipe canadienne.

Cependant, la miniaturisation des cellules solaires pose de nouveaux défis, notamment en ce qui concerne les défauts de bordure qui peuvent affecter le voltage. Pour contrer ce problème, les chercheurs ont utilisé une technique de découpe au plasma, qui permet de minimiser les défauts de bordure et d’améliorer l’efficacité des cellules. Cette méthode, combinée à d’autres stratégies telles que l’ajout de couches antireflet et de contacts à faible résistance, a permis d’optimiser les performances des cellules solaires tout en maintenant des pertes matérielles minimales.

Les défis de la fabrication et de l’intégration

La fabrication de ces cellules solaires avancées repose sur un processus complexe et multi-étapes. Tout d’abord, les cellules sont fabriquées à partir d’une plaquette commerciale d’InGaP/InGaAs/Ge, des alliages qui offrent des propriétés semi-conductrices exceptionnelles.

Le processus commence par l’ajout d’un contact frontal à faible résistance pour améliorer les performances sous une concentration lumineuse élevée. Ensuite, les cellules sont isolées par gravure plasma pour réduire les effets de bordure et augmenter le voltage dans les petites cellules. Un contact arrière est ajouté, suivi d’une étape de nettoyage qui améliore encore le voltage. Enfin, une couche antireflet est appliquée pour réduire la perte de lumière.

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Malgré ces avancées, l’intégration de ces cellules dans des systèmes énergétiques à grande échelle reste un défi. La complexité du processus de fabrication et le coût élevé des matériaux constituent des obstacles majeurs. De plus, l’efficacité des systèmes CPV dépend fortement des conditions d’ensoleillement, ce qui limite leur application dans certaines régions du globe. Cependant, les chercheurs continuent d’explorer des voies pour réduire ces coûts, notamment par l’amélioration des procédés de fabrication et l’utilisation de matériaux alternatifs moins coûteux.

Applications potentielles et impact environnemental

Les avancées réalisées par l’équipe canadienne ouvrent la voie à une multitude d’applications potentielles pour ces cellules solaires à haute efficacité. Les systèmes CPV pourraient être particulièrement bénéfiques dans des régions à fort ensoleillement, où ils pourraient fournir une source d’énergie renouvelable et fiable.

En plus de leur potentiel dans la production d’énergie, ces cellules solaires avancées pourraient également trouver des applications dans des domaines tels que l’aérospatiale, où le poids et l’efficacité sont des facteurs critiques. La miniaturisation des cellules pourrait également permettre leur intégration dans des appareils électroniques portables, offrant ainsi une nouvelle source d’alimentation.

Sur le plan environnemental, l’utilisation généralisée de ces cellules solaires pourrait contribuer de manière significative à la réduction des émissions de gaz à effet de serre en remplaçant les sources d’énergie fossiles. Cependant, il est essentiel de considérer l’impact environnemental de la production des matériaux III-V, qui nécessite des ressources énergétiques et matérielles importantes.

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L’importance de la recherche continue

Les découvertes réalisées par les chercheurs de l’Université de Sherbrooke soulignent l’importance de la recherche continue dans le domaine de l’énergie solaire. Chaque avancée technologique, aussi petite soit-elle, apporte de nouvelles connaissances et ouvre la voie à des solutions plus efficaces et durables.

Les cellules solaires à haute efficacité développées par l’équipe canadienne ne représentent qu’une étape dans la quête de sources d’énergie renouvelables plus performantes. Les chercheurs doivent encore relever de nombreux défis pour rendre cette technologie accessible et économique pour un usage à grande échelle.

En outre, la recherche sur les matériaux alternatifs et les procédés de fabrication innovants est essentielle pour réduire les coûts et l’impact environnemental des cellules solaires. Les collaborations entre les universités, les industries et les gouvernements peuvent jouer un rôle clé dans l’accélération des progrès dans ce domaine.

Alors que le monde continue de faire face à des défis énergétiques et environnementaux croissants, l’innovation dans le domaine des cellules solaires pourrait offrir une lueur d’espoir pour un avenir plus durable. La question demeure : comment ces avancées peuvent-elles être intégrées efficacement dans notre mix énergétique global pour maximiser leur impact positif ?

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