9,7 % de rendement pour une cellule solaire à kësterite sans cadmium

Des scientifiques du Barcelona Institute of Science and Technology en Espagne ont développé une cellule solaire kësterite en configuration superstrat sans cadmium en adoptant une nouvelle approche du raffinage de l’argent (Ag).

« La kësterite est un matériau PV constitué d’éléments non toxiques et abondants sur terre, a expliqué Gerasimos Konstantatos, principal auteur de l’étude, à pv magazine. Toutefois, il faut surmonter les obstacles technologiques liés aux défaillances du matériau, à son interface instable et à la couche tampon en sulfure de cadmium (CdS) toxique. Au cours de nos travaux, nous avons opté pour une couche tampon ultrafine sans cadmium de 200 nm composée de dioxyde de titane (TiO₂) et de dispositifs inversés empilés et, plus important, intégrant le raffinage de l’argent. Cette dernière étape est avantageuse car elle permet de favoriser la croissance des grains de manière contrôlée et d’améliorer le transport des porteurs de charge. »

Les chercheurs ont construit la cellule avec un substrat kësterite appelé CAZTS, un substrat d’oxyde d’étain (FTO), une couche de transport d’électrons à base de dioxyde de titane (TiO₂), et un film précurseur en polymère PTB7, trioxyde de molybdène (MoO3) et or (Au). « Le raffinage de l’Ag dans l’absorbeur a été effectué pendant la construction du film précurseur, au cours de la laquelle une couche supplémentaire de solution sans cuivre a été déposée par-dessus le précurseur vierge », ont-ils indiqué.

Testée dans des conditions d’illumination standard, la cellule a atteint un rendement de conversion énergétique de 9,7 %, que l’équipe de recherche a qualifié de nouveau record pour ce type de dispositif. La cellule a en outre conservé environ 90 % de son efficacité initiale après 100 jours sans encapsulation. D’après les universitaires, le raffinage de l’argent a multiplié par deux la taille des grains en moyenne, élargi les zones appauvries et amélioré la cinétique du transport, ce qui, par ricochet, a permis d’augmenter la tension en circuit ouvert et le facteur de remplissage de la cellule.

« L’entreprise estonienne Crystalsol Inc. a récemment fabriqué des modules solaires flexibles, légers, transparents et à bas coûts, a déclaré Gerasimos Konstantatos. D’après son rapport, le coût de production d’un module kësterite est d’environ 0,36€/W. Étant donné que la kësterite est constituée uniquement d’éléments abondants, il n’y a pas de limite fondamentale pour passer au terawatt, contrairement aux films solaires minces CIGS (cuivre, indium, gallium et sélénium) qui sont confrontés à la rareté de l’indium et du gallium. Par ailleurs, le rendement actuel des modules à kësterite étant d’environ 10 %, contre 20 % pour le CIGS, une réduction supplémentaire des coûts peut être réalisée en améliorant l’efficacité et en augmentant massivement la production ».

Les chercheurs ont présenté leur dispositif dans l’article « Ag-Refined Kesterite in Superstrate Solar Cell Configuration with 9.7% Power Conversion Efficiency » publié dans Advanced Functional Materials. « Dans cette étude, nous avons utilisé de l’argent, qui est un matériau plutôt coûteux, mais dans un absorbeur ultrafin environ 10 fois plus mince qu’un film kësterite classique, ce qui a permis au coût des matériaux de rester le même et ainsi de conserver l’avantage présenté par le bas coût de la kësterite vierge. »