La firme allemande Heliatek spécialisée dans les films solaires de 3ème génération a annoncé avoir établi un nouveau record mondial concernant l'efficacité de sa cellule solaire organique mesurée à un taux de 10,7% pour une surface de 1,1 cm2. La clé du succès d'Heliatek résiderait dans le choix des molécules organiques courtes - oligomères - développées et synthétisées dans ses propres laboratoires à Ulm, en Allemagne.

"Heliatek est la seule entreprise solaire au monde qui utilise le dépôt de molécules organiques à basse température, un processus de vaporisation sous vide en rouleau ('roll-to-roll'). Nos cellules solaires sont composées de fines couches nanométriques ultra-pures et d'une grande homogénéité. Cela nous permet de concevoir une architecture capable d'améliorer systématiquement l'efficacité et la durée de vie de nos cellules" a expliqué le Dr Martin Pfeiffer, co-fondateur d'Heliatek. "La déposition sous vide est déjà largement exploitée par l'industrie OLED. Elle permet de faire évaporer les oligomères pour les recondenser sur le subtrat avec une très grande reproductibilité", a ajouté pour sa part Thibaud Le Séguillon, directeur général d’Heliatek. Ainsi, pour obtenir 1 m2 de cellule photovoltaïque, un seul gramme de matériau semi-conducteur organique suffit Le processus de fabrication permet à l'entreprise de réaliser une cellule solaire bicouches (ou 'tamdem'), avec une couche qui absorbe la lumière tandis que l'autre produit des électrons. Les cellules dites tandem sont obtenues par empilement monolithique de 2 cellules simples, l'une de silicium amorphe, l'autre de silicium cristallin ; leur sensibilité s'étend donc sur une large plage de longueur d'onde.

La campagne de mesures réalisée par l'institut indépendant - SGS - comprenait les mesures d'efficacité des cellules solaires dans des conditions de test standard (STC) de l'industrie solaire, ainsi que des mesures de rendement à faible luminosité et à des températures élevées pouvant atteindre jusqu'à 80°C.

Concernant les résultats des mesures dans des conditions à faible luminosité, il a été établi que l'efficacité non seulement restait constante, mais augmentait d'une manière progressive. Lors d'une irradiation de 100 W/m², le rendement était de 15% plus élevé par rapport à la norme d'efficacité mesurée à 1.000 W/m². Par ailleurs, les mesures à des températures élevées ont confirmé que l'efficacité restait constante, à la différence des technologies traditionnelles où l'efficacité diminuait considérablement entre 15% et 20%. Les premiers essais en plein air ont montré que les taux d’efficacité des cellules solaires organiques d'Heliatek étaient de 15% à 25% plus élevés que les cellules en silicium cristallin et les films solaires en couches minces.

"Quand la société Heliatek a été fondée en 2006, le plan technologique précisant les différents jalons d'efficacité s'avéraient très ambitieux, et pourtant nous avons atteint chacun d'entre eux", a indiqué Thibaud Le Séguillon. "Nous sommes maintenant sur la bonne voie pour atteindre le taux de 15% dans les prochaines années." Heliatek travaille actuellement sur la mise en place d'une première ligne de fabrication dans son usine de Dresde, en Allemagne, pouvant atteindre annuellement 2 à 3 MW de capacité. La production de panneaux solaires flexibles basées sur des matériaux semiconducteurs organiques devrait débuter au troisième trimestre 2012.

La firme a également lancé en parallèle un tour de table de financement dans le but de récupérer 60 millions d'euros supplémentaires dont une partie sera utilisée pour étendre son usine de production à 75 MW.

Afin de produire une quantité d'énergie optimale, les cellules solaires sont généralement conçues pour absorber le maximum de lumière possible ; Cependant, des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley, ont démontré un concept paradoxal : celles-ci devraient ressembler davantage aux LEDs, cad. à la fois capables d'émettre et d'absorber la lumière du soleil. "Nous avons démontré que le mieux pour une cellule solaire était d'émettre des photons, car plus sa tension était élevée et plus grand était sa capacité à produire de l'énergie", a expliqué Eli Yablonovitch, chercheur principal et professeur de génie électrique à l'UC Berkeley.

Depuis 1961, les scientifiques savent que, dans des conditions idéales, il y a une limite à la quantité d'énergie électrique qui pourrait être convertie à partir de la lumière du soleil frappant une cellule solaire. Théoriquement, cette limite est de 33,5% environ. Cela signifie qu'au plus, 33,5% de l'énergie des photons entrants seront absorbés et convertis en énergie électrique utile.

Pourtant, pendant 5 décennies, les chercheurs ont été dans l'incapacité de se rapprocher au plus près de cette efficacité : à partir de 2010, le plus haut rendement obtenu était un peu plus de 26%. Ce taux concerne les cellules solaires à simple jonction (couche unique) qui absorbent les ondes lumineuses au-dessus d'une fréquence bien spécifique. A contrario, les cellules dit "Multi-jonctions", qui possèdent comme son nom l'indique plusieurs couches, sont en mesure d'absorber des ondes différentes et donc d'atteindre des rendements plus élevés.

L'équipe du Pr. Yablonovitch a donc essayé de comprendre pourquoi il y avait un tel écart entre la limite théorique et celle que les chercheurs ont pu effectivement réaliser. Lorsqu'ils se sont penchés sur la question, "une image cohérente a émergé" a indiqué Owen Miller, étudiant diplômé de Berkeley et membre du projet de recherche. Ils ont trouvé une solution relativement simple, basée sur un lien mathématique entre l'absorption et l'émission de lumière.

"Fondamentalement, c'est parce qu'il y a un lien thermodynamique entre l'absorption et l'émission," a précisé O. Miller. Concevoir des cellules solaires qui émettent de la lumière - de sorte que les photons ne soient pas 'perdus' dans une cellule - a pour effet naturel d'augmenter la tension produite par la cellule solaire. "Si vous avez une cellule solaire émettrice de lumière, alors elle produira également une tension plus élevée, qui à son tour augmentera la quantité d'énergie électrique provenant de la cellule pour chaque parcelle de la lumière du soleil."

La théorie qui veut que l'émission de lumière et la tension vont de pair n'est pas nouvelle. Mais l'idée n'avait jamais été pris en considération dans la conception de cellules solaires avant aujourd'hui, a reconnu O. Miller. L'année dernière, une société du nom de Devices Alta, co-fondée par Yablonovitch, a utilisé ce nouveau concept pour créer un prototype de cellule solaire en arséniure de gallium (GaAs), un matériau couramment utilisé pour fabriquer des cellules solaires spécialisées à destination des satellites.

Selon Devices Alta, le prototype a battu un record, passant de 26% à 28,3% d'efficacité. La société a réalisé cette étape, grâce en partie, par la conception même de la cellule permettant à la lumière de s'échapper aussi facilement de la cellule - en utilisant des techniques comprenant par exemple, l'augmentation de la réflectivité de la face arrière, qui renvoie des photons entrants vers la face avant du dispositif.

Les cellules solaires produisent de l'électricité lorsque les photons frappent le matériau semi-conducteur de la cellule. L'énergie des photons casse les électrons libres à partir de ce matériau, ce qui permet aux électrons de circuler librement. Mais ce processus a la capacité de générer de nouveaux photons, dans un phénomène appelé luminescence. L'idée derrière la conception de cette nouvelle cellule solaire reste que ces nouveaux photons - qui ne viennent donc pas directement du Soleil - devraient être libérés de la cellule le plus facilement possible.

"La première réaction qui vient à l'esprit est : pourquoi faudrait t-il aider cette évasion de photons ?" a indiqué Owen Miller. "Puisque vous ne voulez pas garder ces photons dans la cellule, peut-être qu'ils pourraient créer plus d'électrons ?" Cependant, d'un point de vue mathématique, en autorisant les nouveaux photons à s'échapper, cela accroît la tension dont la cellule est en mesure de produire.

Le Pr. Yablonovitch espère que les chercheurs seront capables d'utiliser cette technique pour réaliser des taux d'efficacité proche de 30% dans les années à venir. Et puisque leurs travaux de recherche s'appliquent à tous types de cellules solaires, les résultats auront forcément une implication dans le domaine.

L'efficacité des cellules solaires conventionnelles pourrait être sensiblement augmentée, grâce à de nouvelles recherches menées par le chimiste Xiaoyang Zhu de l'Université du Texas à Austin, sur les mécanismes de conversion de l'énergie solaire. Zhu et son équipe ont en effet découvert qu'il était possible de doubler le nombre d'électrons récupérés à partir d'un seul photon de lumière en utilisant un matériau semi-conducteur organique en plastique.

"La production de cellules solaires semi-conducteurs en plastique possède de gros avantages, dont l'un concerne son faible coût", a déclaré le professeur Zhu. "En association avec les vastes capacités de la conception moléculaire, notre découverte ouvre la porte à une nouvelle approche passionnante dans la conversion de l'énergie solaire, conduisant à des rendements beaucoup plus élevés."

Zhu et son équipe ont d'ailleurs publié leur découverte révolutionnaire le 16 décembre dans la revue Sciences.

L'efficacité théorique maximale des cellules solaires en silicium en usage aujourd'hui est d'environ 31%, du fait de la proportion trop élevée d'énergie solaire frappant la cellule afin d'être transformée en électricité. Cette énergie transmise sous forme "d'électrons chauds" est souvent perdue en chaleur. La capture de ces "électrons chauds" pourraient donc accroître l'efficacité de la conversion d'énergie solaire en électricité pour atteindre le taux de 66%.

Zhu et son équipe avaient précédemment démontré que ces "électrons chauds" pourraient être capturés à l'aide de nanocristaux semi-conducteurs. "Pour un élément" a déclaré Zhu, "le taux d'efficacité de 66% ne peut être atteint que lorsque la lumière du soleil reste fortement concentrée, et non pas à partir de la lumière du soleil frappant classiquement un panneau solaire. En conséquence, cela crée des problèmes d'ingénierie lors de la conception d'un nouveau matériau ou dispositif."

Pour contourner ce problème, Zhu et son équipe ont trouvé une alternative. Ils ont découvert qu'un photon produit un état quantique noir, à partir duquel deux électrons peuvent être capturés efficacement pour générer plus d'énergie dans les semi-conducteurs en pentacène. L'absorption d'un photon dans un semiconducteur organique créé une paire d'électron-trou appelée "exciton".

Le chimiste a précisé que l'exploitation de ce mécanisme pourrait augmenter l'efficacité théorique maximum des cellules solaires de 44% sans avoir à focaliser un faisceau solaire, ce qui encouragerait une utilisation plus répandue de la technologie solaire.

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