Une équipe indienne modélise une cellule solaire CIS sans cadmium avec un rendement proche de 30 %

Un nouveau design en couche mince vise l’un des goulets d’étranglement persistants du solaire

Des chercheurs de l’université Nirma en Inde ont proposé une architecture de cellule solaire en couche mince sans cadmium qui utilise l’oxyde d’indium comme couche de transport d’électrons dans un dispositif au séléniure de cuivre et d’indium, ou CIS. Selon le rapport, la conception a atteint une efficacité de conversion de puissance simulée de 29.79 % à l’aide de la modélisation SCAPS-1D, ce qui la place parmi les projections de performance les plus ambitieuses pour cette classe d’absorbeur.

Ce travail compte moins comme une affirmation de performance commerciale immédiate que comme un indicateur de la direction que prend l’optimisation des couches minces. Les absorbeurs CIS attirent depuis longtemps l’attention en raison de leur bande interdite directe d’environ 1.5 eV et de leur coefficient d’absorption élevé, deux caractéristiques qui les rendent prometteurs pour la conversion photovoltaïque. Mais les performances réelles des dispositifs sont souvent limitées par la recombinaison assistée par pièges et par une faible collecte des porteurs aux interfaces. Ces pertes constituent des obstacles centraux dans la conception des cellules solaires en couche mince, surtout lorsque les chercheurs cherchent à améliorer le rendement sans recourir à des matériaux qui soulèvent des préoccupations de toxicité ou de procédé.

Pourquoi l’oxyde d’indium suscite l’intérêt

Les couches de transport d’électrons sont essentielles dans les cellules solaires, car elles aident à extraire et à guider les électrons tout en bloquant les voies de recombinaison indésirables. Historiquement, précise le rapport, des matériaux comme le sulfure de cadmium, le dioxyde de titane, l’oxyde de zinc et l’oxyde d’étain ont été largement utilisés pour cette fonction dans les dispositifs en couche mince. L’équipe de l’université Nirma s’est plutôt concentrée sur l’oxyde d’indium, le positionnant comme une alternative dans une architecture sans cadmium.

L’absence de cadmium est importante. Les couches à base de cadmium peuvent offrir de bonnes performances, mais elles présentent des inconvénients environnementaux et réglementaires qui continuent d’influencer les priorités de recherche. Un design en couche mince réussi qui réduirait la dépendance au cadmium tout en préservant ou en améliorant le rendement serait donc précieux non seulement sur le plan scientifique, mais aussi du point de vue de la fabricabilité et de l’acceptation du marché.

Dans la cellule modélisée, le rôle de l’oxyde d’indium est de favoriser une extraction de charge plus efficace et de réduire les pertes à l’interface avec l’absorbeur. En photovoltaïque en couche mince, ces interfaces décident souvent si le potentiel théorique du matériau se traduit en une sortie utile du dispositif. Un absorbeur performant ne suffit pas si des défauts ou un mauvais alignement dans les couches adjacentes provoquent la recombinaison des porteurs avant leur collecte.

Ce que dit la simulation

Le résultat de 29.79 % provient de SCAPS-1D, un outil de simulation couramment utilisé pour modéliser le comportement des cellules solaires dans différentes conditions de matériaux et de structure. L’étude décrit donc un dispositif modélisé, et non une cellule certifiée en laboratoire à ce niveau de rendement. Cette distinction est importante. Les simulations sont utiles parce qu’elles révèlent quelles combinaisons d’épaisseur, de densité de défauts, de propriétés de transport et de conditions thermiques pourraient offrir de bonnes performances, mais elles ne remplacent pas la fabrication et la mesure.

Malgré cela, les conclusions du modèle sont instructives. Grâce à une analyse de sensibilité, les chercheurs ont identifié une faible densité de défauts, une épaisseur d’absorbeur optimisée et une gestion thermique efficace comme particulièrement importantes pour limiter les pertes par recombinaison. Cette combinaison renvoie à un problème d’ingénierie familier mais tenace en photovoltaïque : faire en sorte que les matériaux, la géométrie et les conditions d’exploitation soient suffisamment bien alignés pour que les pertes n’annulent pas les gains promis par le concept de base du dispositif.

La densité de défauts est une variable particulièrement révélatrice. Dans les semi-conducteurs en couche mince, les défauts peuvent piéger les porteurs et créer des voies de recombinaison non radiative qui réduisent le rendement. Un design qui paraît solide sur le papier peut malgré tout décevoir en pratique si les méthodes de dépôt réelles introduisent trop d’imperfections. Il en va de même pour l’épaisseur. Trop peu de matériau absorbeur peut réduire la captation de la lumière, tandis qu’un excès peut accroître la recombinaison ou les pertes résistives. Le comportement thermique compte aussi, car la température influe sur le transport des porteurs et peut dégrader les performances en conditions réelles d’exploitation.

Pourquoi cela compte pour le paysage des couches minces

Le marché solaire mondial reste dominé par le silicium, mais les technologies en couche mince demeurent stratégiquement importantes parce qu’elles offrent d’autres voies de fabrication, d’autres profils de matériaux et d’autres possibilités d’application. Les dispositifs à base de CIS font partie de cette discussion depuis des années, même s’ils ont été confrontés à la concurrence d’autres approches en couche mince et aux progrès constants du silicium.

Des recherches comme celle-ci tentent de maintenir la pertinence du CIS en traitant simultanément deux sujets : les plafonds de rendement et les choix de matériaux. Si l’oxyde d’indium peut améliorer le comportement des interfaces dans un dispositif sans cadmium, il pourrait offrir aux chercheurs une autre voie pour faire progresser les performances du CIS. Cela ne signifierait pas automatiquement une commercialisation rapide, mais cela pourrait influencer la prochaine vague de travaux expérimentaux sur l’ingénierie de la couche absorbeuse et la sélection des couches de transport.

Le rapport insiste aussi sur la question de l’évolutivité, en reliant les gains simulés à des conditions susceptibles de soutenir des dispositifs haute performance si les pertes par recombinaison sont maintenues sous contrôle. Ce cadrage est important, car la recherche photovoltaïque doit de plus en plus montrer non seulement un potentiel de rendement maximal, mais aussi une voie plausible vers une fabrication à grande échelle et un fonctionnement stable.

La suite

L’étape suivante évidente est la validation expérimentale. Une simulation peut identifier une architecture prometteuse et réduire l’espace des paramètres, mais le vrai test consiste à savoir si le dispositif peut être fabriqué avec la qualité de matériau et le contrôle d’interface nécessaires. Cela inclut de confirmer si l’oxyde d’indium se comporte comme prévu dans des conditions de procédé réalistes et si l’absorbeur peut être fabriqué avec une densité de défauts suffisamment faible.

Si les résultats en laboratoire commencent à se rapprocher du modèle, ce travail pourrait renforcer l’intérêt pour les conceptions CIS sans cadmium à une époque où les chaînes d’approvisionnement de l’énergie propre sont examinées non seulement sous l’angle du coût et du rendement, mais aussi de leur impact environnemental. La photovoltaïque en couche mince a toujours reposé sur une ingénierie fine aux marges. Les améliorations viennent souvent non pas d’une découverte spectaculaire, mais d’une série de meilleurs choix concernant les matériaux, les interfaces et les fenêtres de procédé.

Le résultat de l’université Nirma s’inscrit dans ce schéma. Il n’annonce pas une percée commerciale achevée, mais propose une voie techniquement précise vers des cellules solaires CIS plus performantes. Dans un secteur où des choix architecturaux incrémentaux peuvent avoir des effets disproportionnés sur le rendement, ce travail mérite d’être surveillé.

Cet article s’appuie sur un reportage de PV Magazine. Lire l’article original.