Des mini-modules pérovskites testés en orbite autour de la terre

En partenariat avec Airbus Defense and Space et l’Office national d’études et de recherches aérospatiales (Onera), le CEA a envoyé des mini-modules pérovskites sur un nano-satellite pour étudier l’évolution de leurs performances photovoltaïques en environnement spatial. Le CEA à l’INES a pour cela réalisé des mini-modules pérovskites simple jonction, constitués de 3 sous-cellules mises en forme par étapes laser, et assemblés sur un PCB. Les mesures initiales ont montré de bonnes performances pour ces mini-modules pérovskites, avec une Voc de 3.36V et un Jsc de 27.4mA/cm² (flux solaire spatial AM0). Ces deux paramètres seront suivis dans l’espace après lancement.

Effectué en janvier 2023, l’assemblage s’est fait sur un nano-satellite 3U (10x10x30cm3) de la société Qosmosys (Singapour), dont l’altitude de croisière est planifiée à 530 km pour une durée minimale de fonctionnement d’un an. Cette altitude correspond à une orbite basse (Low Earth Orbit, LEO) dans laquelle l’amplitude de température entre les phase d’éclipse et d’exposition au soleil sera de -50 à +60°C. Les données de télémétrie permettront d’étudier l’évolution des performances des mini-modules pérovskites en vol et de les comparer avec le suivi d’échantillons similaires conservés en laboratoire pour décorréler l’instabilité temporelle intrinsèque de ces pérovskites des effets de l’environnement. Selon le CEA-INES, deux paramètres seront en particulier étudiés de près : la tension de circuit ouvert Voc sur un dispositif, et le courant de court-circuit Isc sur un deuxième dispositif.

Les challenges sont en effet multiples : au niveau du design de l’architecture des mini-modules et de son intégration avec la carte de circuit électronique (PCB), en prenant en compte les contraintes de masse et géométrie ; au niveau des matériaux utilisés, qualifiés ou compatibles avec l’environnement spatial ; au niveau de l’interconnexion qui doit être robuste et fiable, sans pertes résistives notables ; et dans des délais très courts pour fournir les prototypes finaux.

Comme le rappelle le CEA, les pérovskites d’halogénure métallique à base de plomb (ABX3) se positionnent actuellement comme technologie de rupture dans le paysage photovoltaïque. Ces matériaux attirent un nombre considérable de recherches et leur rendement de conversion photovoltaïque a rapidement atteint des records de plus de 25 % en configuration simple-jonction. En plus de ces progrès rapides en performance, l’épaisseur de ces cellules sont très faibles (< 0.5μm de matériau photo-actif) permettant d’atteindre des densités de puissance très élevées d’environ 30 W/g [6], soit des densités 10 fois plus élevées que les cellules en silicium à couche mince ou GaAs flexibles à simple jonction. De plus, des études récentes ont montré l’excellente résilience de ce type de matériau photovoltaïque face à certains flux de particules chargées représentatifs de l’environnement spatial.

Toutefois, au-delà de tests de vieillissement accélérés en conditions représentatives de l’espace, peu de données pour cette technologie émergente existent sur ses performances en environnement spatial, donc sous contraintes multiples (irradiations, UV, vide, thermique, etc.). Il est donc primordial pour la communauté scientifique et les acteurs industriels d’étudier le comportement de dispositifs pérovskites en conditions réelles de vol.