Des scientifiques chinois fabriquent un module solaire en kësterite de 10,48 cm² avec un rendement de 10,1 %

D’après pv magazine International

Des scientifiques de l’Université des Postes et Télécommunications de Nankin, en Chine, ont fabriqué un prototype de module solaire en kësterite (CZTSSe) capable d’atteindre un rendement de conversion de puissance de 10,1 %. La nouvelle technologie de cellule et de panneau a été présentée dans l’article « Solution-processed kesterite solar module with 10.1% certified efficiency », récemment publié dans Nature Energy. Les chercheurs ont indiqué que ce résultat a été certifié par le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) du Département de l’Énergie des États-Unis.

Le nouveau module est basé sur des cellules solaires CZTSSe avec un rendement de 13,4 %. Le record mondial pour ce type de cellules est de 14,6 %, atteint par l’Académie chinoise des sciences (CAS) en juin 2024. La kësterite est l’un des matériaux absorbeurs de lumière les plus prometteurs pour une utilisation potentielle dans les cellules solaires à couches minces à moindre coût. Les kesterites contiennent des éléments courants tels que le cuivre, l’étain, le zinc et le sélénium. Contrairement aux composés CIGS, aucun goulot d’étranglement dans l’approvisionnement n’est attendu à l’avenir. Cependant, la kesterite reste moins efficace que les CIGS en production de masse.

Les universitaires ont expliqué que le procédé de fabrication par solution des cellules CZTSSe à couches minces implique deux étapes critiques : le dépôt de précurseur et la cristallisation à haute température. Ce parcours apparemment clair dissimule un écueil majeur : les réactions de fusion multiphasiques provoquent facilement une inhomogénéité de composition et des fluctuations des propriétés électroniques dans le film, constituant ainsi un obstacle à l’amélioration du rendement et à l’industrialisation des cellules solaires CZTSSe.

« Nous avons réalisé une percée en atteignant une cristallisation par transformation de phase directe basée sur une méthode en solution Cu⁺-Sn⁴⁺, portant le rendement des cellules solaires CZTSSe à plus de 13 % », a déclaré l’auteur correspondant de la recherche, Shaoying Wang, à pv magazine, tout en notant que l’un des plus grands défis de leur travail était de maintenir ce haut rendement à l’échelle du module.

« Au départ, le rendement de notre premier module CZTSSe fabriqué n’était que de 4,3 %, avec une perte stupéfiante de rendement de conversion de puissance cellule-vers-module (CTMPCE) de 56,81 %, ce qui révèle une dure réalité : le succès de cellules à haut rendement sur de petites surfaces en laboratoire est loin d’être équivalent à la production de films absorbeurs de haute qualité à grande échelle, a-t-il expliqué. Nous avons ensuite entrepris une exploration approfondie de cette grande perte cellule-vers-module. »

Grâce à la caractérisation et à l’analyse de la morphologie du film et de la répartition des éléments à différents stades du processus de cristallisation, un problème clé est apparu : au stade précoce de la sélénisation, une couche cristalline dense se forme déjà à la surface du film, agissant comme une barrière invisible, une coque rigide, qui entrave sérieusement la pénétration ultérieure de la vapeur de sélénium à l’intérieur du film.

« Cela freine la croissance des grains dans la direction verticale et entraîne une mauvaise uniformité du film ainsi qu’une forte rugosité de surface, poursuit Shaoying Wang. Le film absorbeur non uniforme ne permet pas la fabrication de dispositifs efficaces et de grande surface, ce qui explique les faibles performances et la grande perte CTM de nos modules précédents ».

Le groupe a décidé de modifier la microstructure du film précurseur utilisé pour l’absorbeur pérovskite et de réguler sa porosité afin d’éviter la formation rapide d’une couche supérieure dense au stade initial de la sélénisation, et de créer plus d’espace pour une meilleure pénétration du sélénium (Se) et plus de temps pour la croissance latérale des grains, dans le but d’améliorer l’uniformité du film.

La microstructure du film précurseur était étroitement liée à la composition de la solution précurseur, qui était basée sur la thiourée (Tu), un réactif qui se décompose lors de la décomposition thermique et libère des gaz volatils depuis le film, contribuant ainsi à augmenter la porosité du film.

« Nous avons donc systématiquement ajusté le ratio de Tu par rapport aux ions métalliques dans la solution précurseur et étudié la morphologie du film, décrit Shaoying Wang. Les résultats ont été encourageants : après avoir augmenté la teneur en Tu, le film précurseur est devenu plus poreux et plus lâche, ce qui a permis la formation d’une couche cristalline supérieure plus lâche à un stade précoce de la sélénisation, permettant à plus de Se de pénétrer dans la masse du film et offrant plus d’espace pour la croissance latérale des grains, ce qui a finalement amélioré l’uniformité et la planéité de surface du film absorbeur CZTSSe ».

La cellule de 0,1 cm² a été construite sur un substrat en verre de silicate de soude (SLG), recouvert de molybdène (Mo), d’un absorbeur CZTSSe, d’une couche de sulfure de cadmium (CdS), d’une couche tampon d’oxyde de zinc (ZnO), d’une couche d’oxyde d’indium-étain (ITO), et de contacts métalliques en aluminium (Al) et nickel (Ni).

Schéma du module et performances.
*Image : Nanjing University of Posts and Telecommunications*

« Grâce à l’uniformité améliorée du film absorbeur, nous avons réussi à atteindre un rendement moyen de 13,4 % pour les cellules individuelles avec une très faible déviation standard et un rendement de 8,91 % pour le module solaire, complète le scientifique. Mais ce n’était pas la fin. Nous avons ensuite modifié davantage la structure du module pour réduire les contacts non idéaux et les shunts causés par la résistance série, ce qui a permis d’atteindre un rendement certifié de 10,1 % avec une surface d’ouverture de 10,48 cm², une faible perte CTMPCE de 25,3 %, et la plus faible perte CTM en tension en circuit ouvert (0,93 %) et en courant de court-circuit (7,03 %) parmi les modules solaires à couches minces émergents à la pointe. »

« Ce n’est pas seulement le premier module CZTSSe à traitement par solution avec un rendement record, mais aussi un parcours de compréhension et de résolution des défis sous-jacents à la fabrication de films inorganiques par approche en solution, a-t-il conclu. Ce travail fournit une voie technique claire et réalisable pour le traitement en solution de cellules et modules solaires à couches minces en composé inorganique, performants et de grande surface. »

En avril 2023, d’autres chercheurs de l’Université des Postes et Télécommunications de Nankin avaient conçu une cellule solaire en kesterite (CZTSSe) via une nouvelle méthode de sélénisation qui assurait une haute qualité cristalline des absorbeurs CZTSSe, avec peu de défauts.

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