Fabrication économique et écologique de cellules solaires en chalcopyrite à haut rendement


Des solutions énergétiques propres et durables sont essentielles pour répondre aux besoins énergétiques sans cesse croissants de la population humaine. Les cellules solaires à haut rendement sont des candidats prometteurs pour réduire les émissions de carbone et atteindre la neutralité carbone. À cet égard, les cellules solaires au diséléniure de soufre, de gallium, d’indium et de cuivre traitées en solution (CIGSSe) ont suscité un intérêt considérable en raison de leurs excellentes propriétés photovoltaïques, telles qu’une absorption élevée de la lumière visible, une stabilité et une bande interdite réglable. Cependant, les applications pratiques à grande échelle sont limitées par un double défi.

L’efficacité de conversion de puissance (PCE) des cellules solaires au diséléniure de cuivre, d’indium, de gallium et de soufre traitées en solution est nettement inférieure à celle obtenue par des méthodes de fabrication coûteuses à base de vide. De plus, les méthodes basées sur les solutions reposent sur des solvants dangereux. À cette fin, des chercheurs de l’Université nationale d’Incheon, en Corée, ont mis au point une technique de fabrication rentable et respectueuse de l’environnement utilisant un dépôt par pulvérisation aqueuse dans un environnement aérien qui ne nécessite pas de vide. Cette nouvelle approche donne un PCE relativement élevé de plus de 17 %.

Tout d’abord, la fabrication de CIGSe à base de solutions donne une efficacité de conversion de puissance très faible et utilise souvent des solvants qui ne sont pas respectueux de l’environnement. Deuxièmement, pour obtenir une efficacité de conversion de puissance plus élevée, les méthodes de fabrication reposent sur un environnement de vide coûteux qui entraîne une perte substantielle de matériau. À cette fin, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur JunHo Kim du Centre mondial de recherche sur l’énergie pour la neutralité carbone de l’Université nationale d’Incheon, en Corée, a mis au point une méthode de fabrication peu coûteuse et écologique de cellules solaires CIGSe à haut rendement.

Dans une étude mise en ligne le 4 septembre 2022 et publiée par la suite dans le volume 32 numéro 46 de Advanced Functional Materials le 10 novembre 2022, les chercheurs ont utilisé le dépôt par pulvérisation aqueuse dans un environnement aérien et ont développé une cellule solaire CIGSe avec efficacité de conversion de puissance (PCE) supérieur à 17 %. « Pour la solution de pulvérisation, nous avons utilisé de l’eau déionisée, qui est un solvant écologique et le moins cher jusqu’à présent », explique le professeur Kim. De plus, les processus de fabrication conventionnels basés sur des solutions reposent sur des tampons à base de cadmium dangereux pour l’environnement pour l’optimisation des cellules solaires à couches minces. Dans cette nouvelle technique, les chercheurs ont utilisé un tampon à base de sulfure d’indium qui est une alternative écologique sans cadmium.

Les chercheurs ont en outre étudié les effets d’alliage du zirconium sur les tampons de sulfure d’indium. Remarquablement, l’équipe a découvert que l’alliage de zirconium augmentait la concentration d’électrons dans le tampon. De plus, cette méthode « passive » ou réduit les états de défaut dans l’absorbeur CIGSe, optimisant le transfert de charge entre les différentes interfaces, conduisant à une PCE améliorée. De plus, les chercheurs ont obtenu encore plus de passivation des défauts et un PCE plus élevé, de plus de 17 %, en alliant l’absorbeur CIGSe avec du potassium. La cellule fabriquée a une bande interdite optimale pour des applications à haut rendement telles qu’une cellule inférieure ou une cellule en tandem.

Cette nouvelle technique est rentable et facilement évolutive car elle ne nécessite pas d’environnement sous vide. Comme l’observe le professeur Kim, « Nous avons effectué un dépôt par pulvérisation dans un environnement aérien sans utiliser d’installation de vide poussé, ce qui réduit considérablement les coûts de fabrication et rend ainsi la technique de fabrication plus pratique et compétitive dans le secteur de l’industrie. »

Ce développement améliore simultanément les performances et la fabrication des cellules solaires CIGSe. Cela révolutionnera l’application de ces cellules dans les dispositifs photovoltaïques intégrés et les dispositifs photovoltaïques intégrés aux véhicules, et en tant que sources d’énergie pour les dispositifs de l’internet des objets.

Source de l’histoire :

Matériel fourni par Université nationale d’Incheon. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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