Projet conjoint "Une nouvelle génération du photovoltaïque"

Inaptes à convertir efficacement les photons de haute énergie, les technologies photovoltaïques à base de silicium cristallin (c-Si) et de CIGS (cuivre-indium-gallium-séléniure) ne sont probablement qu’une première étape dans la solarisation des systèmes énergétiques. L’adjonction en façade d’une cellule supérieure avec un band gap plus élevé pour former une solution tandem permet d’accroître la production d’énergie. Le prix de l’électricité photovoltaïque étant principalement lié à la balance du système, il diminue directement à chaque gain d’efficacité. Grâce à leurs hautes performances en jonction simple, leur band gap réglable, des coûts potentiellement faibles et des conditions de traitement souples, les cellules solaires basées sur un absorbeur à pérovskites semblent idéales en guise de cellules supérieures. Ces solutions tandem peuvent atteindre un rendement de 27 à 30 % (soit 5 % de plus qu’avec les panneaux c-Si et CIGS actuels), ce qui pourrait fournir à la Suisse à long terme 13 à 14 TWh d’électricité photovoltaïque par an, en exploitant les toitures et les façades bien orientées.

L’objectif principal du projet était d’élaborer une nouvelle génération de technologies photovoltaïques à haut rendement. Le projet couvrait la synthèse de nouveaux matériaux, leur intégration dans des cellules solaires c-Si et CIGS simples et multi-jonctions à haut rendement, le développement de concepts de façades solaires, des stratégies de gestion du réseau et l’analyse du cycle de vie et de l’acceptation sociale de ces nouvelles technologies. Le but premier était de développer les éléments technologiques susceptibles de contribuer à la mise en œuvre de la Stratégie énergétique 2050.

En associant des techniques avancées de simulation et de caractérisation à un processus à couches minces, l’équipe du projet est parvenue à concevoir des cellules solaires à pérovskites, à c-Si ainsi qu’à CIGS en jonction simple, affichant des propriétés opto-électroniques améliorées. Leur combinaison dans des équipements multi-jonctions a permis aux partenaires du projet d’atteindre des rendements records, notamment en créant le premier tandem pérovskite/c-Si texturé en façade pour une gestion optimale de la lumière, ou encore des tandems 4 terminaux souples pérovskite/CIGS à couches minces. En parallèle, le projet a contribué à améliorer l’acceptation des installations photovoltaïques, en travaillant notamment sur des stratégies de minimisation de l’espace utilisé, mais aussi en améliorant les rendements et en favorisant l’intégration aux bâtiments grâce à des solutions esthétiques.

Importance pour la recherche

Les concepts scientifiques issus du projet ont eu un impact majeur sur la communauté mondiale des chercheurs, comme en témoignent les nombreuses invitations à présenter les résultats des recherches lors de conférences scientifiques internationales ou le grand nombre de citations de publications associées au projet.

Importance pour la pratique

Simple idée au départ, ce projet a mené le concept de cellules solaires pérovskite/c-Si et pérovskite/CIGS à haut rendement jusqu’au stade d’équipements totalement fonctionnels présentant clairement un gain d’efficacité par rapport aux jonctions simples. Ces résultats se sont avérés extrêmement précieux pour les industriels envisageant de compléter leurs lignes de fabrication c-Si ou CIGS par une cellule supérieure à pérovskite. Bien que plusieurs défis doivent encore être résolus, les cellules solaires à haut rendement à base de pérovskites possèdent un solide potentiel industriel, comme le montre l’apparition de plusieurs sociétés dédiées à cette question. Les éléments de façade conçus dans le cadre du projet ont également des implications pratiques considérables puisqu’ils ajoutent une fonctionnalité à des éléments structurels.

PV2050: Novel PV technologies for optimum space usage and efficient electricity production

Ce projet conjoint se compose de six projets de recherche

PV2050: Novel materials and interfaces for advanced photovoltaic devices

• Prof. Frank Nüesch, Departement Moderne Materialien, ihre Oberfläche und Grenzflächen, EMPA Dübendorf; Prof. Christophe Ballif, Prof. Michael Grätzel, Prof. Ayodhya Tiwari

PV2050: Building blocks for Next Generation Multi-Junction Solar Cells

• Prof. Christophe Ballif, Institut de Microtechnique, EPFL Neuchâtel; Prof. Michael Gätzel, Prof. Ayodhya Tiwari

PV2050: Novel Generation Perovskite Devices

• Prof. Michael Grätzel, Laboratoire de photonique et interfaces, EPF Lausanne; Dr. Jun-Ho Yum, Prof. Ullrich Steiner

PV2050: Photovoltaics into the built environment: from semi-transparent PV glazing to high efficiency roof integrated solutions

• Dr. Laure-Emmanuelle Perret-Aebi, Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA, Neuchâtel; Prof. Emmanuel Rey

PV2050: Simulation and characterization: from cells to systems

• Dr. Matthias Schmid, Institute for Computational Physics, ZHAW Winterthur; Dr. Mohammed Zakeeruddin Shaik, Prof. Christophe Ballif, Prof. Ayodhya Tiwari

PV2050: Sustainability, market deployment and interaction to the grid – the impacts of advanced photovoltaic solutions

• Prof. Bettina Furrer, Institut für Nachhaltige Entwicklung, ZHAW Winterthur; Prof. Martina Hirayama-Bumm