Les cellules solaires de troisième génération promettent une mise à l’échelle industrielle rapide.
La troisième génération de cellules solaires est à nos portes. Qu’il s’agisse de cellules photovoltaïques organiques (OPV), de cellules solaires à points quantiques ou de cellules pérovskites, toutes les technologies de troisième génération promettent des cellules plus petites avec un rendement énergétique plus élevé – à un moindre coût. Mais un sérieux obstacle se dresse sur la voie de la commercialisation. Les cellules de troisième génération sont tellement minuscules et complexes qu’une fois qu’elles sont entièrement fabriquées, nous ne savons plus très bien comment elles sont structurées.
«L’optimisation des cellules solaires de troisième génération, qu’elles soient organiques ou inorganiques, est un processus d’essais et d’erreurs», explique Jens Andreasen, spécialiste de la recherche sur l’imagerie 3D synchrotron des matériaux énergétiques chez DTU Energy et chercheur principal du projet SEEWHI (Solar Energy Enabled for the World by High-resolution Imaging), financé par le CER. «Cela a un double effet. Tout d’abord, cela retarde sérieusement la recherche de combinaisons optimales de matériaux, puisque les essais doivent être effectués sur des appareils terminés pour chaque paramètre du processus. Mais surtout, des systèmes plus performants peuvent être complètement négligés.»
Jens Andreasen a un plan pour s’attaquer à ce problème. En mai 2016, il a commencé à développer de nouvelles techniques d’imagerie 3D basées sur la tomographie ptychographique à rayons X et la diffraction des rayons X en 3D. En cas de réussite, ses efforts permettraient de différencier les matériaux présentant des différences très subtiles à haute résolution spatiale.
Les nanostructures révélées
Prenez les cellules solaires organiques par exemple. Elles sont composées d’éléments légers dont la densité varie légèrement. L’étude de la nanostructure de ces éléments fait appel à une technique permettant d’obtenir un certain contraste entre les différentes irrégularités microstructurales à l’échelle nanométrique. Bien que cette technique soit essentielle pour corréler la performance photovoltaïque avec les conditions de traitement, elle était presque impossible à réaliser avant SEEWHI.
«Nous sommes sur le point d’identifier des différences à une résolution supérieure à 10 nm en 3D. Avant ce projet, la nanostructure des cellules solaires organiques n’était pas déterminée par l’observation directe, mais plutôt déduite de la modélisation. Nous ne savions tout simplement pas quelle était la structure des cellules solaires les plus performantes», explique Jens Andreasen.
Une fois que la nanostructure réelle est établie grâce à l’imagerie par rayons X, Jens Andreasen peut corréler ces structures avec des modèles de performance photovoltaïque et de dynamique moléculaire. Cela lui permet de déterminer la relation entre les paramètres de traitement et la structure résultante. «Nous pouvons alors établir une boucle de rétroaction qui nous permet de fabriquer des cellules solaires avec une nanostructure aux performances optimales», remarque-t-il.
SEEWHI est à un an de son terme, mais les premiers résultats sont assez encourageants. L’équipe a notamment mis au point de nouveaux algorithmes pour la reconstruction 3D des données de la tomographie ptychographique. Ces algorithmes devraient permettre l’imagerie de cellules solaires complètes en 3D à une résolution de 10 nm, du moins dès qu’ils pourront être combinés avec un synchrotron de quatrième génération.
«Ce n’est pas tout», ajoute Jens Andreasen. «Nous avons réalisé une caractérisation sans précédent d’une cellule solaire à base de kesterite (CZTS). Nous sommes également très proches de disposer d’un schéma qui nous permet de modéliser la structure optimale de tout système de matériaux pour cellules solaires organiques. Nous serons également bientôt en mesure de déterminer les paramètres de traitement nécessaires pour réaliser une telle structure dans une cellule solaire à grande échelle.»
D’ici la fin du projet, l’équipe espère faire la démonstration d’une modélisation photovoltaïque des nanostructures 3D qu’elle a mesurées et modélisées. Si les sources synchrotron de quatrième génération deviennent bientôt capables de réaliser les expériences d’imagerie 3D appropriées, elles pourraient également montrer la nanostructure 3D d’une cellule solaire organique avec une résolution suffisante pour distinguer ses domaines donneur et accepteur.
«J’espère que nous parviendrons à fournir une feuille de route permettant aux expérimentateurs de dépasser des années d’essais et d’erreurs et de découvrir des opportunités négligées. À terme, cela pourrait conduire à une percée majeure, non seulement pour les cellules solaires organiques, mais aussi pour de nombreuses technologies reposant sur l’auto-organisation de la structure de l’atome à la méso-échelle», conclut Jens Andreasen.
Source : Solar Energy Enabled for the World by High-resolution Imaging - SEEWHI - N° de convention de subvention: 681881
Financement du projet 2 M€.