Plus d’une centaine de couches différentes sur quelques micromètres. Voilà le mille-feuille qu’ont dû empiler des chercheurs du Laboratoire national sur les énergies renouvelables (NREL) du département de l’énergie des États-Unis afin de mettre au point une cellule photovoltaïque – la technologie au cœur des panneaux solaires, qui permet de produire de l’électricité à partir de la lumière – au rendement record de 39,5% sous la lumière du Soleil. Soit 0,3% de plus que la précédente tenante du titre, issue du même laboratoire en 2020. La cellule championne, présentée le 18 mai dernier dans la revue Joule, affiche comme avantage supplémentaire une (relative) simplicité de production.
Triple jonction et puits quantiques
Pour atteindre de telles performances, les chercheurs ont imaginé une architecture dite à multi-jonctions. Au cœur des cellules photovoltaïques, la jonction désigne la rencontre entre deux couches de matériaux dopés inversement (l’une négativement, avec un matériaux apportant des électrons, et l’autre positivement). Cela forme un champ électrique interne à la cellule et facilite l’extraction des électrons excités par la lumière du Soleil.
Les cellules les plus utilisées, constituées de silicium et dopées au phosphore et au bore, n’ont qu’une seule jonction. A contrario, les architectures à multi-jonctions, comme leur nom l'indique, empilent ces zones pour gagner en rendement. En clair, chaque matériau réagit, pour des raisons de physique fondamentale, à une partie différente du spectre de la lumière du Soleil. Multiplier des jonctions bien choisies permet donc d’augmenter le rendement, c'est-à-dire la quantité d'énergie électrique produite à partir d'un même flux lumineux.
Tout a donc été affaire d’optimisation, avec un niveau de précision et de complexité proche des standards des semi-conducteurs de l’électronique. Pour atteindre 39,5% d’efficacité, la cellule comporte trois jonctions, fonctionnant comme autant de « sous-cellules ». Dans le détail, la couche supérieure est composée de phosphure de gallium-indium (GaInP), tandis que la dernière est faite d'arséniure de gallium-indium (GaInAs). La couche du milieu, la plus originale des trois, est constituée d’arséniure de gallium (GaAs). Surtout, elle ressemble à un empilement de centaines de feuilles de seulement quelques nanomètres d’épaisseur. Une structure formant une multitude de « puits quantiques », dont les caractéristiques physiques ont permis aux chercheurs d’optimiser le tronçon de lumière solaire capté par le matériau. Et de compléter parfaitement les caractéristiques des deux autres couches.
Une cellule pour des applications spatiales
Alors que la précédente détentrice du record de rendement était composée de six jonctions, « cette nouvelle cellule est plus efficace et plus simple à fabriquer, elle peut s’avérer utile pour une variété d’applications émergentes », explique dans un communiqué le principal auteur de l’article, Miles Steiner. Le chercheur au NREL cite notamment les applications où la place est très limitée et les environnements spatiaux, au sein desquels la cellule affiche 34,2% d’efficacité.
Très exigeantes, les multi-jonctions restent cependant complexes à fabriquer et sont pour l’instant réservées à des applications de pointe. Elles sont aussi en compétition avec le solaire photovoltaïque à concentration, au sein desquels des systèmes de miroirs permettent de focaliser la lumière solaire et de doper encore le rendement. En 2020, le même laboratoire NREL présentait une cellule au rendement record de 47,1% sous l’équivalent de 143 fois l’irradiation du Soleil. Des performances de laboratoire, qui doivent ensuite prouver leur pertinence économique et technique dans le monde réel.
