Une équipe de l'université de Nouvelle-Galles du Sud, à Sydney, vient de battre un record qui intéresse bien au-delà des laboratoires. Ils ont utilisé des cellules solaires au chalcogénure d'antimoine Sb₂(S,Se)₃ jusqu'à 11,02 % d'efficacité en laboratoire, dont 10,7 % certifiées indépendamment par le CSIRO, l'un des rares centres de mesure photovoltaïques reconnus au monde.
Cela peut paraître peu si on le compare aux panneaux de silicium commerciaux qui dépassent déjà les 20 %. La clé est ailleurs. Ces cellules ne veulent pas remplacer le silicium, mais plutôt être placées dessus dans des architectures en tandem pour capter encore plus chaque rayon de soleil sur les toits, les façades et les fenêtres.
Quelle est la particularité de ce matériau
Le chalcogénure d'antimoine est un composé d'antimoine, de soufre et de sélénium. Il absorbe très efficacement la lumière, à tel point qu’une couche de quelques centaines de nanomètres capte déjà une bonne partie du rayonnement utile. De plus, il peut être déposé à basse température, avec des procédés compatibles avec une production à grande échelle et une moindre consommation d'énergie en usine, et repose sur des éléments relativement abondants.
En pratique, cela signifie la possibilité de réaliser des cellules très fines, semi-transparentes et stables, qui peuvent être intégrées dans du verre de construction, des appareils électroniques à faible consommation ou comme couche supérieure sur un panneau de silicium classique. Moins de surface utile gaspillée et plus d’électricité propre par mètre carré, ce qui est important dans les petits toits ou les immeubles où chaque centimètre compte.
Le problème de la « montée » au sein de la cellule
Malgré ses avantages, l’efficacité de ce matériau était bloquée en dessous de 10 % depuis des années. L’équipe de l’UNSW a demandé pourquoi et la réponse était cachée à l’échelle atomique. Lors de la croissance de la couche absorbante, le soufre et le sélénium ne se sont pas répartis de manière homogène en profondeur. Ce mélange inégal générait une sorte de pente énergétique qui ralentissait le mouvement des charges.
Le premier auteur de l’ouvrage, le Dr Chen Qian, compare cela à « conduire une voiture sur une pente très raide ». Au lieu de se déplacer sur une route plate, les porteurs générés par la lumière devaient « s'élever » à l'intérieur de la matière avant d'être captés par les contacts électriques. De l'énergie a été perdue en cours de route et une partie de la lumière capturée a fini par être gaspillée sous forme de chaleur.
La solution est d'ajouter une pincée de sulfure de sodium
La nouveauté de l’étude réside dans un ajustement fin de la chimie. L'équipe a introduit une petite quantité de sulfure de sodium dans la solution précurseur utilisée dans le dépôt hydrothermal, la technique avec laquelle le film Sb₂(S,Se)₃ est fabriqué. Cet additif tamponne le pH et ralentit la réaction, de sorte que le sélénium soit libéré de manière plus contrôlée et que le soufre et le sélénium soient répartis plus uniformément dans toute la couche.
Vue de l’extérieur, la « route » intérieure n’a plus de pente marquée. Le profil énergétique est aplati, les charges ne sont pas piégées et le transport à travers l'absorbeur est plus efficace. Les mesures montrent que le courant généré augmente d'environ 22 à environ 25 milliampères par centimètre carré et que le facteur de remplissage s'améliore de plusieurs points, ce qui est essentiel pour atteindre des dixièmes d'efficacité dans les technologies émergentes.
L’ouvrage touche également au cœur de la problématique des défauts. En utilisant des techniques de spectroscopie en profondeur, les chercheurs ont découvert que certains défauts ponctuels qui servaient de pièges « profonds » pour les porteurs étaient réduits d’environ deux ordres de grandeur lorsque du sulfure de sodium était utilisé. En termes simples, le matériau contient beaucoup moins de fuites internes où l’électricité générée par la lumière est perdue.
De la table de laboratoire aux fenêtres solaires
Au-delà du chiffre de 11,02%, ce qui est intéressant est de savoir où ce résultat ouvre des portes. Le professeur Xiaojing Hao, qui dirige les recherches, rappelle que la prochaine grande vague photovoltaïque sera celle des cellules tandem, où plusieurs couches différentes travaillent ensemble pour surmonter les limites d'une seule jonction. Dans ce schéma, le chalcogénure d'antimoine constitue une cellule supérieure, se combinant avec le silicium qui domine déjà les toits de la moitié du monde.
Ce matériau, ultra fin et semi-transparent, s'adresse également aux applications d'intégration architecturale. L’université elle-même souligne le potentiel des fenêtres solaires qui laissent entrer la lumière tout en produisant de l’électricité, ainsi que des capteurs intérieurs, des identifiants intelligents ou des appareils connectés alimentés par la lumière d’un bureau ou d’une entreprise. Une entreprise dérivée appelée Sydney Solar travaille déjà sur des « autocollants » solaires pour le verre, tirant parti de ces couches presque invisibles.
Pour le lecteur qui réfléchit aux émissions de CO₂ et à la facture d’électricité, la conclusion est plus terrestre. Chaque amélioration des matériaux comme celle-ci se rapproche un peu plus d'un système électrique où l'énergie solaire couvre non seulement les toits, mais aussi les façades et les fenêtres, et où les appareils s'alimentent eux-mêmes sans trop dépendre de piles ou de prises jetables. Il ne s’agit pas d’une révolution immédiate, mais c’est une pièce de plus dans le puzzle de la transition énergétique.
L'équipe reconnaît qu'il y a encore place à l'amélioration et que le prochain objectif raisonnable est d'atteindre environ 12 % d'efficacité dans les années à venir grâce à des traitements chimiques supplémentaires qui continuent de réduire les défauts, toujours étape par étape, sans raccourcis miraculeux.
L'étude scientifique originale a été publiée dans la revue Énergie naturelle.
L'entrée Adieu à la limite de 10 % : des scientifiques australiens atteignent un nouveau record d'efficacité pour les cellules solaires au chalcogénure d'antimoine a été publiée pour la première fois sur ECOticias.com.
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