Adapter les cellules solaires en këstérite à la production d’électricité en intérieur
La plupart des technologies solaires commerciales actuelles fonctionnent bien à l’extérieur, mais peinent à s’imposer à l’intérieur. Malgré une baisse générale des coûts, le solaire d’intérieur peut encore s’avérer onéreux, contenir des matériaux toxiques et souvent se dégrader avec le temps. Ces obstacles entravent le recours généralisé aux cellules photovoltaïques d’intérieur (IPV), alors qu’il est nécessaire pour alimenter le nombre croissant d’appareils de l’Internet des objets (IdO). Les matériaux à base de këstérite offrent une solution prometteuse: ils sont très abondants, relativement non toxiques et stables. Pourtant, les këstérites se heurtent aux difficultés inhérentes à l’éclairage intérieur. «La lumière LED en intérieur est bien plus faible que la lumière du soleil et concentrée dans le spectre visible; les këstérites optimisées pour une utilisation en extérieur ne sont donc pas idéales», explique Edgardo Saucedo(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), chercheur confirmé à l’université polytechnique de Catalogne(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) (UPC) – BarcelonaTech, et coordinateur du projet LEKPV. «LEKPV entendait donc adapter les matériaux et dispositifs à base de këstérite spécifiquement à la récupération d’énergie en intérieur destinée à l’IdO et à l’électronique à faible consommation.» Dans le cadre du projet LEKPV, financé par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), Edgardo Saucedo et ses collègues ont combiné des simulations avancées avec des procédés respectueux de l’environnement et des conceptions novatrices pour les këstérites, dans le but d’accroître leur rendement et d’ouvrir la voie à une nouvelle vague de technologies IPV. «Comme les kësterites peuvent être fabriquées par des procédés en solution peu coûteux et évolutifs et nécessitent des éléments abondants, elles présentent un potentiel prometteur pour de futures applications à grande échelle de récupération d’énergie en intérieur», fait remarquer Yuancai Gong, chercheur postdoctoral à l’UPC et scientifique en chef du projet LEKPV.
Une ingénierie ciblée pour la lumière intérieure
Les chercheurs ont combiné des simulations avancées de dispositifs, la fabrication d’absorbeurs par voie en solution et une ingénierie ciblée des dispositifs afin de comprendre et d’affiner les cellules solaires à base de këstérite destinées à la captation de la lumière en intérieur. Ils ont réalisé des simulations complexes afin d’identifier la plage de bande interdite la plus appropriée et les principaux mécanismes de perte sous un éclairage LED. Grâce à une série d’expériences, les chercheurs ont mis au point une encre moléculaire et des procédés spécifiques de traitement en solution permettant d’appliquer des «absorbeurs» à base de këstérite sur des surfaces. Ils ont ensuite modifié la composition des këstérites, par exemple en y ajoutant des alliages de germanium afin d’améliorer les propriétés globales des matériaux. Ils ont également optimisé l’interface des absorbeurs, là où la couche absorbant la lumière rencontre les autres couches d’un dispositif pour augmenter les performances dans des conditions de faible luminosité.
Un rendement de classe mondiale
L’un des principaux résultats publiés concerne une cellule solaire à base de këstérite spécifique destinée à une utilisation en intérieur, qui a atteint un rendement de 15,1 %, tandis que les dispositifs à base d’alliages ont affiché des rendements en intérieur pouvant atteindre environ 18 % dans des conditions d’éclairage par LED. «C’est à ce jour le rendement le plus élevé jamais rapporté au niveau mondial pour cette technologie», déclare Edgardo Saucedo. «LEKPV a démontré que les cellules solaires en këstérite constituent une technologie prometteuse pour le photovoltaïque en intérieur, en particulier lorsque leur bande interdite et leurs propriétés en matière de défauts sont adaptées à l’éclairage par LED», note Edgardo Saucedo. Bien que cette technologie ne soit pas encore prête pour une mise sur le marché immédiate, les résultats du projet sont directement pertinents pour les capteurs IdO auto-alimentés, les dispositifs destinés aux bâtiments intelligents et l’électronique à faible consommation, où le remplacement ou la réduction du nombre de piles jetables constitue un facteur clé du marché. Edgardo Saucedo souligne que le projet montre que l’IPV ne doit pas se contenter de réutiliser les matériaux et les concepts développés pour le solaire extérieur. «La captation de la lumière en intérieur nécessite une conception spécifique des matériaux, des protocoles d’essai et une optimisation des dispositifs», ajoute-t-il. «La këstérite est particulièrement intéressante dans ce contexte.»
Vers une validation en conditions réelles
Les chercheurs prévoient d’accroître le rendement, la reproductibilité et la stabilité opérationnelle des dispositifs, tout en passant de cellules de petite surface à des mini-modules et des démonstrateurs. «Les travaux futurs porteront sur l’affinement de la composition de l’absorbeur, la réduction des pertes liées aux défauts, l’amélioration des interfaces, et la validation des dispositifs dans des environnements intérieurs réels», explique Edgardo Saucedo. «Nous souhaitons également renforcer la collaboration avec les chercheurs et les utilisateurs finaux potentiels dans les domaines de l’IPV, de l’IdO et des bâtiments intelligents, afin de rapprocher davantage les résultats scientifiques d’une application pratique.»
