Des scientifiques du monde entier, y compris du Luxembourg, repoussent les limites du photovoltaïque pour rendre l’utilisation de cette source d’énergie plus attrayante. Qu’il s’agisse de cellules solaires en tandem, de chaleur perdue, de nouveaux matériaux, de l’étude des matériaux des cellules solaires jusqu’à l’échelle atomique – de la réduction des coûts, les chercheurs luxembourgeois y travaillent, avec le soutien du FNR.
Satellites, petits rovers lunaires, jouets d’enfants, lampes de poche, calculatrices, bâtiments – les endroits où les cellules solaires sont utilisées sont nombreux. Les panneaux solaires sont de plus en plus visibles sur les toits du Luxembourg, conformément à l’objectif national de 25 % d’énergie renouvelable d’ici à 2030. Quels défis restent-ils à relever pour améliorer l’énergie solaire ? L’un d’eux consiste à en améliorer la production et à faire baisser le prix de l’énergie solaire, mais le défi principal reste à augmenter la proportion de lumière provenant du soleil convertie en énergie utilisable par les cellules solaires. Un défi scientifique aux multiples facettes.
Un meilleur cœur pour les cellules solaires
Les cellules solaires à couches minces sont constituées d’une variété de fines couches de différents matériaux, chacun jouant un rôle dans la conversion de la lumière du soleil en énergie électrique. Chaque couche a son propre rôle. Le cœur de la cellule solaire est l’absorbeur, là où la lumière est absorbée et convertie en charges électriques.
« Dans notre travail, nous étudions des couches d’absorbeur composées d’une partie inorganique et d’une partie organique, également appelées matériaux hybrides. Les atomes du cristal ont un arrangement spécifique, qui est appelé pérovskite. Sur cette image, la classe de matériaux que nous étudions est donc appelée pérovskites hybrides organiques-inorganiques. »
Alex Redinger
Pérovskites hybrides : Des candidats prometteurs pour des cellules solaires à haut rendement
Les pérovskites hybrides attirent actuellement fortement l’attention de la communauté scientifique, car elles présentent des propriétés exceptionnelles en tant que cellules solaires à haut rendement. Habituellement, des procédés à hautes températures et des matières premières propres sont nécessaires pour produire des cellules solaires de haute qualité. Ce n’est pas le cas des pérovskites hybrides, qui présentent de très bonnes propriétés, sont bon marché et simples à produire.
En plus de cela, elles peuvent même être combinées avec des cellules solaire épaisses de silicium et d’autres cellules solaires à couches minces (les technologies de cellules solaires les plus courantes sur le marché). Cela permettra à l’avenir d’obtenir des cellules solaires encore plus performantes. La combinaison de deux cellules solaires est également connue sous le nom de cellules solaires tandem.
Cette remarquable image a été créée par le Luxembourgeois Alex Redinger et son équipe de l’Université du Luxembourg. Elle a été réalisée à l’aide d’un microscope à force atomique, qui permet aux chercheurs de mesurer la topographie et les propriétés électriques des matériaux jusqu’au niveau atomique. Pour cette image, une résolution d’environ 2 nanomètres par pixel a été atteinte, ce qui correspond à 0,000000002 mètre, soit plus de 10000 fois plus petit qu’un cheveu humain !
« Cette image est une combinaison de deux signaux, la topographie ainsi qu’une propriété électrique nommée » fonction de travail « . Les régions bleues de l’image correspondent à des fonctions de travail plus élevées et reflètent dans le cas présent un matériau différent qui s’est formé à la surface du pérovskite, due aux conditions de fabrication. Notre travail nous permet d’identifier ces différentes phases avec une précision nanométrique. »
Alex Redinger
Le groupe de recherche d’Alex Redinger est intégré au sein du département de physique et de science des matériaux de l’Université du Luxembourg. Son laboratoire est l’un des trois laboratoires de l’Université qui étudient les éléments contribuant à l’énergie solaire. Plus précisément, l’équipe étudie les surfaces et interfaces des matériaux utilisés dans les cellules solaires, en utilisant différentes techniques de microscopie à sonde locale pour en déterminer leurs propriétés électriques à l’échelle nanométrique.
Cette recherche est soutenue par plusieurs bourses de recherche du FNR, notamment la bourse FNR ATTRACT de Redinger, une bourse de 5 ans à 2 MEUR qui a permis à Alex Redinger de créer son groupe de recherche.
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Cellules solaires tandem : La cellule solaire de nouvelle génération
Bien que le soleil fournisse une énergie pratiquement illimitée, les modules solaires ne convertissent généralement qu’environ un cinquième de cette énergie en électricité. Dans leur quête de centrales solaires plus efficaces, les scientifiques créent et étudient les cellules solaires tandem, un nouveau type de cellule solaire capable de capter davantage de lumière solaire grâce à des couches multiples.
La principale différence entre les cellules solaires standard et les cellules solaires tandem est que ces dernières comportent plusieurs couches de semi-conducteurs. Chaque couche absorbe différentes longueurs d’onde (ou couleurs) de la lumière et convertit cette énergie en électricité.
Dans une cellule solaire tandem typique à couche mince, ces semi-conducteurs sont déposés en phase vapeur sous forme de couches superposées. En les superposant de cette manière, on obtient deux cellules solaires qui, ensemble, produisent un effet tandem. Tout comme deux cyclistes sur un tandem combinent leur puissance, la superposition des cellules solaires augmente leur efficacité pour convertir la lumière du soleil en électricité.
Des centrales solaires plus efficaces, c’est moins cher et plus attrayant
Le “Laboratory for Photovoltaics” de l’Université du Luxembourg, l’un des trois laboratoires de l’institution qui étudient comment améliorer les différents aspects de l’énergie solaire, a pour objectif de réduire le coût de l’énergie solaire en améliorant l’efficacité des cellules solaires.
L’équipe d’une douzaine de scientifiques, dirigée par le professeur de physique Susanne Siebentritt, étudie les semi-conducteurs et les cellules solaires qui peuvent être utilisés dans des dispositifs en tandem.
« Les cellules solaires conventionnelles ont été améliorées au cours des dernières décennies et se sont rapprochées des limites théoriques. L’avenir pourrait se trouver dans les cellules solaires en tandem, où nous empilons deux cellules solaires différentes l’une sur l’autre, de sorte que chacune puisse mieux utiliser la lumière du soleil et que davantage d’énergie soit récoltée. »
« Plus la cellule solaire est efficace, plus la surface que les centrales solaires doivent couvrir est réduite – et plus l’électricité qu’elles produisent est bon marché. Le développement des cellules solaires tandem à couche mince permettra d’installer davantage de systèmes solaires et contribuera davantage à la lutte contre la crise climatique. »
Prof Susanne Siebentritt
Le professeur Susanne Siebentritt est active en tant que chercheuse au Luxembourg depuis de nombreuses années. Au cours de ces années, elle a été le mentor de dizaines d’étudiants. Pour reconnaître ce soutien important, ses étudiants actuels et anciens l’ont nominée pour un FNR Award 2022 dans la catégorie Mentor exceptionnel, qu’elle a remporté. Découvre pourquoi dans la vidéo ci-dessous.
Transformer la chaleur perdue en électricité
Et si la chaleur perdue pouvait être transformée en électricité ? C’est possible ! Le groupe « Ferroic Materials for Transducers », dirigé par le Dr Emmanuel Defay du LIST, travaille sur un nouveau projet financé par le FNR et consacré à l’étude d’une nouvelle classe de matériaux pour la récolte d’énergie électrothermique. Ces matériaux, appelés « pyroélectriques non linéaires », sont capables de convertir la chaleur perdue en électricité.
Les scientifiques vont exposer ces matériaux à une variation de température, tout en contrôlant leur tension. C’est ce qu’on appelle un cycle thermodynamique. Les objectifs du projet sont de mieux comprendre les principales caractéristiques, afin que le matériau convertisse la quantité maximale de chaleur en électricité.
Une fois que les scientifiques auront acquis ces connaissances, ils les utiliseront pour réaliser des démonstrateurs capables de générer suffisamment d’énergie pour faire fonctionner des dispositifs simples, comme un capteur autonome. Cela permettra aux chercheurs d’étudier l’efficacité énergétique de cet effet et la manière de l’améliorer davantage.
Réduire l’impact environnemental grâce à l’énergie solaire [efficace]
Les scientifiques travaillant dans le domaine de l’énergie solaire ne se contentent pas d’améliorer les cellules solaires, ils s’intéressent également à la manière dont elles sont fabriquées : Les chercheurs du Laboratory for Energy Materials (LEM) se concentrent sur les cellules solaires fabriquées avec des matériaux durables et sur les moyens de réduire l’énergie nécessaire à leur fabrication.
Des ingrédients délicats
Les semi-conducteurs sont présents dans presque tous les appareils électroniques : les ordinateurs, les smartphones – et l’énergie solaire – ne seraient pas possibles sans eux. Les semi-conducteurs destinés aux cellules solaires sont difficiles à fabriquer et de nombreuses techniques sont coûteuses, car elles nécessitent beaucoup d’énergie.
« Trouver un moyen d’améliorer ce processus, qui pourrait finalement faire baisser le coût de fabrication d’une cellule solaire, est l’un des moteurs fondamentaux de la recherche que nous menons dans mon groupe. »
Dr Phillip Dale, chimiste et physicien.
Les semi-conducteurs des cellules solaires sur lesquels travaillent le Dr Dale et son équipe sont généralement un élément ou un composé chimique solide, qui peut conduire l’électricité dans certaines conditions.
« Les semi-conducteurs ont des propriétés très délicatement équilibrées et un changement – même au niveau de la suppression de quelques atomes – peut affecter ces propriétés et tout changer : ce que nous avons découvert avec une série de semi-conducteurs, c’est que des parties du semi-conducteur s’évaporaient. »
Phillip Dale
Booster la puissance
Les recherches du laboratoire portent également sur la préparation et la caractérisation de couches de semi-conducteurs destinées à être utilisées dans des cellules solaires. L’objectif est de comprendre comment convertir certaines « couches » en matériaux semi-conducteurs de haute qualité afin de transformer davantage de lumière entrante en énergie électrique.
« La société ne devrait plus utiliser de combustibles fossiles pour alimenter sa civilisation, mais plutôt utiliser le soleil et le vent. En termes simples, l’énergie que nous devons produire de manière renouvelable est l’énergie que nous consommons. »
Phillip Dale
L’éducation des jeunes est essentielle pour Phillip Dale, qui organise le projet de vulgarisation Energy Balance, dans le cadre duquel des écoliers cherchent à savoir s’ils peuvent vivre en utilisant uniquement des ressources énergétiques renouvelables.
« Si vous comprenez la science qui se cache derrière la consommation d’énergie et la production d’énergie renouvelable, vous pouvez prendre des décisions éclairées et opportunes en matière d’énergie afin d’orienter l’humanité vers un avenir plus sûr. »
Former la prochaine génération de chercheurs en photovoltaïque
Tous les groupes de recherche présentés sur cette page travaillent également ensemble dans le cadre de l’unité de formation doctorale » Photovoltaics: Advanced Concepts for High Efficiency » (PACE), une initiative conjointe de l’Université du Luxembourg et du LIST, où les scientifiques apportent un mélange de chimie, de physique et de recherche sur les matériaux. 8 chercheurs doctorants travaillent sur des projets supervisés conjointement par des experts pour former les jeunes scientifiques.
L’objectif commun à tous les projets de doctorat est de créer de nouvelles cellules solaires offrant un meilleur rendement de conversion de l’énergie que celles actuellement disponibles. Ces nouveaux concepts et dispositifs contribueront au développement de l’énergie solaire et aideront le monde à se tourner vers les énergies renouvelables.
