Un projet national de recherche sur les cellules photovoltaïques devrait donner lieu à la production d’une troisième génération de cellules photovoltaïques. Ces cellules se basent sur une nouvelle technologie, mise en place notamment par des chercheurs de NTNU (université de Trondheim), de l’université d’Oslo, de SINTEF et de l’IFE (institut de technologies pour l’énergie).

C’est le résultat d’une collaboration plus vaste entre ces instituts de recherches et universités et des partenaires privés (Elkem Solar, Fesil Sunergy, Hydro, Norsun, Prediktor, REC, Scatec, Solar Cell Repower, Umoe Solar) regroupés au sein du Centre norvégien pour la recherche sur la technologie de cellule photovoltaïque (un des centres de recherche pour des énergies durables mis en place par le Conseil Norvégien pour la Recherche).

Les cellules photovoltaïques actuelles ont un rendement de 16 à 18%. Au maximum elles pourraient atteindre un rendement de 29% (limite dite de Shockley-Queisser). Les nouvelles cellules que les chercheurs norvégiens développent pourraient atteindre un rendement de 60 à 80%. Cela passe à la fois par l’utilisation optimale des propriétés énergétiques de la lumière du soleil (en utilisant tout le spectre de cette lumière et non pas une seule partie de celui-ci) et par l’amélioration de certaines propriétés des cellules photovoltaïque actuelles.

La technologie actuelle

Lorsque la lumière du soleil arrive sur un solide (de la silice pour les cellules photovoltaïques), l’énergie portée par les photons (particules de la lumière) est transmise aux électrons de ce solide. Les électrons augmentent ainsi leur propre énergie.

 

La théorie des bandes veut que dans un solide, les différents électrons présents dans les atomes aient des états d’énergie différents les uns des autres. Cependant, ces états d’énergie ne sont pas aléatoires : ils sont compris à l’intérieur de bandes de niveaux d’énergie (voir illustration) et ne peuvent pas avoir des niveaux d’énergie en dehors de ces intervalles. Deux bandes sont particulièrement importantes: la bande de valence et la bande de conduction. La bande de valence correspond à la dernière bande complètement remplie en électrons (on ne peut pas rajouter d’autres électrons dans cette bande), la bande de conduction est celle qui suit (incomplète en électrons). Pour passer de l’une à l’autre, un électron a besoin de recevoir une quantité d’énergie supérieure à l’intervalle entre les deux bandes. Dans le cas présent, cette énergie est apportée par les photons de la lumière. Cette différence d’énergie entre les deux bandes est appelée "band gap". Une fois qu’il a dépassé ce "band gap", l’électron de la bande de conduction est libre de circuler dans le solide (il n’est plus lié à son atome) : c’est l’effet photovoltaïque (ou photoélectrique).

 

La lumière solaire est composée de plusieurs longueurs d’ondes : cela signifie que les photons ne portent pas tous la même quantité d’énergie. Certains en auront suffisamment pour faire passer le "band gap" à un électron, d’autres non. C’est une des raisons qui limite le rendement des cellules photovoltaïques classiques : beaucoup de photons qui arrivent ne servent à rien. Pour obtenir un maximum d’électricité au final, il faut qu’un maximum d’électrons puisse passer de la bande de valence à la bande de conduction. D’autre part, certains photons apportent une énergie supérieure à celle nécessaire pour passer la band gap, le reste est donc de l’énergie perdue (sous forme de chaleur).

La nouveauté

Ce que les chercheurs norvégiens ont fait de nouveau : changer la structure de la cellule photovoltaïque pour rajouter des structures en nanocristaux à la structure en Silice, permettant ainsi de :
– Convertir les photons trop énergiques en deux photons moins énergiques (mais d’énergie toujours suffisante pour passer la band gap): c’est la down-conversion. Cela permet de faire passer plus d’un électron sur la bande de conduction avec un seul photon incident.
– Combiner deux photons d’énergie trop faible pour en créer un de niveau suffisant pour dépasser la Gap Band: c’est l’up-conversion.

En produisant également des cellules qui peuvent avoir différents band gap, on peut penser que cela permettrait de convertir l’ensemble du spectre solaire.

D’autre part, lorsque l’électron passe de la bande de valence à la bande de conduction, il laisse un "trou" dans la bande de valence (elle n’est pas complètement remplie en électrons). Dans le cas de l’effet photovoltaïque naturel, l’électron, arrivé sur la bande de conductance, trouve rapidement un autre "trou" et revient sur la bande de valence. L’énergie apportée initialement par le photon est alors perdue. Dans les cellules photovoltaïques, la structure force les électrons libres à aller à l’opposé des "trous", afin de créer une différence de potentiel, entre le pôle + (le trou) et le pôle – (l’électron), comme dans une pile. Plus on maintient longtemps cette différence de potentiel plus on récupère d’électricité. Il faut donc que l’électron de la bande de conduction reste longtemps sans retrouver un "trou". Avec la technologie actuelle, ce temps est de l’ordre de la nano- ou de la microseconde. Les matériaux que les norvégiens sont en train d’élaborer permettraient de prolonger cette durée jusqu’à un millième de seconde.

Un prototype de ces nouvelles cellules photovoltaïque devrait bientôt être produit. Même si cela ne sera pas commercialisé avant plusieurs années, les résultats de ces recherches semblent très prometteurs. Dans la course à la réduction des prix du wattheure, ces nouvelles cellules à haut rendements pourraient aider la filière solaire à s’imposer.