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Cellules solaires : un modèle historique réévalué

Les cellules solaires ou photovoltaïques sont des composants électroniques qui, assemblés, constituent des panneaux solaires de plus en plus utilisés par le grand public.

Cellules solaires : un modèle historique réévalué

Les cellules solaires captent la lumière de notre étoile et transforment son rayonnement ou la chaleur produite en électricité. Cette opération a un rendement théorique maximum allant de 25% à 33% selon les matériaux utilisés. Or les cellules solaires actuelles, constituées de semi-conducteurs comme le silicium ou de pérovskite, s’approchent petit à petit de cette limite prédite par Shockley et Queisser dans leur célèbre article de 1961.

Ce modèle, qui décrit un monde idéal basé sur des hypothèses simplificatrices, est de plus en plus utilisé et cité comme référence. Pour garantir des comparaisons fiables des performances des cellules photovoltaïques, des scientifiques de l’Institut photovoltaïque d’Île-de-France (CNRS/Chimie ParisTech/École polytechnique/EDF/Total/AirLiquide/IPVF-SAS) et de laboratoires allemands et israéliens ont voulu préciser les conditions d’utilisation correctes du modèle.

Ils ont identifié 5 hypothèses fondamentales (concernant l’absorption des photons, la collecte et l’extraction des porteurs de charge photogénérés, leurs mécanismes de recombinaison, ainsi que l’extraction de la chaleur produite pendant les phénomènes de conversion) qui doivent absolument être vérifiées avec le plus grand soin pour pouvoir appliquer ses prédictions.

Dans ce travail théorique publié dans Nature Photonics, l’équipe a aussi défini une grandeur (une figure de mérite) pour chaque point identifié, mesurant quantitativement l’écart d’une cellule réelle à celle idéale : cette nouvelle métrique permettra d’identifier les paramètres pertinents sur lesquels faire porter les efforts pour améliorer les dispositifs de cellules solaires existantes.

Références

Jean-Francois Guillemoles, Thomas Kirchartz, David Cahen et Uwe Rau
Guide for the Perplexed to the Shockley-Queisser Model for Solar Cells
Nature PhotonicsJuillet 2019
DOI: 10.1038/s41566-019-0479-2