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Modeling efficiency penalties of narrow-bandgap perovskites in Si-based tandem solar cells: Incorporating luminescent coupling at non-ideal absorption

Cette étude présente un modèle de bilan détaillé intégrant le couplage luminescent pour démontrer que les pérovskites à bande interdite étroite (~1,57 eV) entraînent des pénalités d'efficacité étonnamment faibles dans les cellules solaires tandem à base de silicium par rapport à leurs homologues à bande interdite optimale, suggérant que leur pertinence potentielle est sous-estimée en raison de gains significatifs en stabilité et en économies de matériaux.

Auteurs originaux : Rolf Brendel

Publié 2026-08-20

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Rolf Brendel

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Les cellules solaires sont les piliers de la transition vers les énergies renouvelables, transformant directement la lumière du soleil en électricité. Depuis des décennies, les scientifiques savent qu'une couche unique de matériau ne peut pas capturer efficacement toute l'énergie de la lumière solaire ; certaines couleurs de lumière passent directement à travers, tandis que d'autres sont absorbées trop rapidement, gaspillant leur énergie sous forme de chaleur. Pour résoudre ce problème, les chercheurs superposent deux types différents de cellules solaires, créant ainsi un dispositif tandem. La couche supérieure est conçue pour capter la lumière bleue à haute énergie, tout en laissant passer la lumière rouge à plus faible énergie vers une couche de silicium située en dessous pour être récoltée. Cet appariement a le potentiel de pousser l'efficacité solaire bien au-delà de ce que les cellules à couche unique peuvent atteindre. Cependant, trouver le matériau parfait pour cette couche supérieure est un équilibre délicat. Si la couche supérieure est réglée pour absorber la mauvaise gamme de couleurs, elle pourrait générer trop d'électricité pour que la couche inférieure puisse la gérer, ou elle pourrait être trop épaisse, rendant le dispositif coûteux et instable.

Un chercheur de l'Université Leibniz de Hanovre et de l'Institut de recherche sur l'énergie solaire de Hamelin a développé une nouvelle façon de modéliser ces cellules superposées pour voir si le choix d'un matériau légèrement différent pourrait être meilleur que le favori actuel. Il s'est concentré sur un type spécifique de matériau appelé pérovskite, qui est une structure cristalline pouvant être ajustée pour absorber différentes couleurs de lumière. Alors que la communauté scientifique s'est généralement accordée sur le fait que la couche supérieure idéale devrait avoir un gap de bande d'environ 1,7 électron volt pour maximiser la puissance, le chercheur voulait savoir ce qui se passe si le matériau est légèrement différent, avec un gap de bande de 1,57 électron volt. Ce gap plus étroit signifie que le matériau absorbe une plus grande partie du spectre solaire, mais il crée également un surplus d'énergie qui doit être géré. La clé de son investigation était un phénomène appelé couplage luminescent, un processus par lequel la cellule supérieure, après avoir absorbé la lumière, réémet une partie de cette énergie sous forme de lumière qui voyage vers la cellule de silicium inférieure pour être utilisée à nouveau.

En utilisant un modèle informatique détaillé basé sur la physique fondamentale, le chercheur a simulé le comportement de ces cellules tandem sous une lumière solaire standard. Il a pris en compte l'épaisseur de la couche supérieure et la façon dont la lumière rebondit et circule dans le dispositif, plutôt que de s'appuyer sur des hypothèses simplifiées qui ignorent ces détails optiques. Ses simulations ont révélé un résultat surprenant : la pénalité d'efficacité liée à l'utilisation du matériau à gap plus étroit est bien moindre que ce que l'on pensait auparavant. Lorsque la cellule supérieure est réglée sur l'idéal de 1,7 électron volt, le dispositif atteint une efficacité de pointe d'environ 41,8 %. Lorsque la cellule supérieure est faite du matériau à gap plus étroit, l'efficacité chute à environ 39,9 %. Cela représente une perte relative d'environ 5 %. Dans le monde de l'énergie solaire, où chaque fraction de pourcentage est farouchement disputée, c'est un prix remarquablement bas à payer.

La raison pour laquelle cette faible perte est si significative réside dans l'épaisseur des matériaux requis. Pour atteindre cette efficacité de pointe avec le matériau idéal de 1,7 électron volt, la couche supérieure doit être assez épaisse, environ 1500 nanomètres. Cependant, le chercheur a découvert que le matériau à gap plus étroit atteint sa meilleure performance à une épaisseur de seulement 733 nanomètres. Cela signifie qu'en acceptant une légère baisse de l'efficacité théorique, les fabricants pourraient réduire de plus de moitié la quantité de matériau nécessaire pour la cellule supérieure. Cette réduction ne concerne pas seulement l'économie de matières premières ; elle accélère également le processus de fabrication, car le dépôt de couches plus minces prend moins de temps, et elle réduit la quantité de plomb toxique contenue dans chaque mètre carré du panneau.

L'étude a également exploré comment ces résultats se maintiennent dans différentes configurations. Dans une configuration où les deux cellules sont connectées électriquement dans un seul circuit, la pénalité de 5 % reste constante. Cependant, si les cellules sont câblées séparément, leur permettant de fonctionner de manière indépendante, l'écart d'efficacité se réduit encore davantage pour n'être que de 2 %. Cela suggère que le matériau à gap plus étroit est très polyvalent. Le chercheur a noté que, bien que le matériau au gap idéal soit le maximum théorique, l'option au gap plus étroit offre un compromis convaincant. Si le matériau à gap plus étroit s'avère plus stable dans le temps ou moins cher à produire, il pourrait finalement délivrer plus d'électricité sur la durée de vie d'une ferme solaire que l'alternative théoriquement parfaite mais plus fragile.

En calculant rigoureusement la façon dont la lumière se déplace et se couple entre les couches, ce travail remet en question l'hypothèse selon laquelle le gap de bande optimal est la seule voie possible. Il suggère que la pérovskite à gap étroit, qui a été quelque peu négligée au profit de l'idéal théorique, peut être un choix plus pratique pour les panneaux solaires réels. Les conclusions fournissent une manière basée sur les données pour peser les compromis entre l'efficacité brute et des facteurs tels que la stabilité, le coût et l'utilisation des matériaux. Pour l'avenir de l'énergie solaire, cela signifie que la recherche de la cellule solaire parfaite ne nécessite peut-être pas de courir après un chiffre théorique unique, mais plutôt de trouver le bon équilibre entre performance et praticité.

Résumé Technique : Modélisation des pénalités d'efficacité des pérovskites à faible bande interdite dans les cellules tandem à base de Si

Énoncé du problème
La prédiction précise du potentiel d'efficacité des cellules supérieures de type pérovskite (Pk) dans les dispositifs tandem à base de silicium (Si) dépend de manière critique de la quantification du couplage luminescent (LC). Bien que la bande interdite optimale pour une cellule supérieure Pk soit généralement acceptée autour de 1,7 eV, les matériaux présentant des bandes interdites plus étroites (~1,57 eV) offrent des avantages potentiels en termes de stabilité, de réduction de l'utilisation de matériaux et de moindre toxicité. Cependant, les approches de modélisation précédentes ont eu du mal à quantifier de manière fiable la pénalité d'efficacité associée à ces bandes interdites sous-optimales. Les modèles existants reposaient souvent sur des hypothèses simplificatrices, telles que des seuils d'absorption abrupts, une absorption unitaire pour tous les photons supérieurs à la bande interdite, ou des valeurs de LC empiriques qui ne parvenaient pas à capturer la dépendance intrinsèque du LC vis-à-vis de la bande interdite et de l'épaisseur de l'absorbant. Crucialement, aucune approche préalable n'avait dérivé rigoureusement le LC à partir de principes fondamentaux pour les cellules non idéales (non noires), conduisant à des surestimations potentielles des pertes d'efficacité pour les matériaux à faible bande interdite.

Méthodologie
L'auteur présente un modèle de bilan détaillé (DB) complet qui dérive le couplage luminescent à partir de principes physiques de base, en tenant compte spécifiquement de l'absorption dépendante de la longueur d'onde dans les cellules supérieures non idéales. Le modèle intègre et étend les cadres précédents pour assurer une compatibilité totale avec la modélisation DB établie pour les cellules de silicium cristallin à jonction simple.

Les caractéristiques clés du cadre de modélisation incluent :

Rigueur physique : Le modèle calcule le LC en résolvant un système d'équations pour les intensités d'interface, en considérant à la fois les flux lumineux spéculaires et diffus. Il rend explicitement compte de la densité d'états photoniques dans l'air par rapport à la cellule inférieure, évitant ainsi l'hypothèse qu'une cellule « noire » émet de manière égale dans toutes les directions.
Paramètres optiques et électroniques : La simulation intègre le spectre solaire AM1.5G, des constantes optiques dépendantes de la longueur d'اonde dérivées de fonctions diélectriques conformes de Kramers-Kronig (utilisant des modèles Tauc-Lorenz pour le $\text{MAPbI}_3$ ), une antireflexion idéale, un réflecteur arrière lambertien et la recombinaison Auger dans la cellule Si inférieure.
Approche ALIAS : Le cœur de la méthode consiste à calculer la probabilité que la luminescence de la cellule supérieure soit absorbée dans la cellule inférieure ( $\Lambda_{1\to2}$ ) par rapport à sa probabilité d'échappement ou d'absorption parasite. Cela permet de calculer le courant de recombinaison et le courant de court-circuit sans recourir à des constantes de couplage empiriques.
Configurations : Le modèle est appliqué aux configurations à deux terminaux (2T), trois terminaux (3T) et quatre terminaux (4T), en faisant varier l'épaisseur de la pérovskite ( $W_1$ ) et la bande interdite ( $E_{g1}$ ).

Principales contributions

Dérivation du LC à partir de principes fondamentaux : L'article fournit la première dérivation rigoureuse du couplage luminescent pour les cellules non noires, démontrant que le LC est sensible à la fois à la bande interdite et à l'épaisseur de la cellule supérieure.
Quantification des pénalités d'efficacité : L'étude quantifie la pénalité d'efficacité relative des pérovskites à faible bande interdite (~~1,57 eV) par rapport à la bande interdite optimale (~~1,7 eV).
Optimisation de l'épaisseur : Le modèle révèle que les matériaux à faible bande interdite permettent d'utiliser des couches absorbantes nettement plus minces tout en maintenant l'adaptation de courant, un facteur précédemment sous-utilisé dans les analyses de compromis d'efficacité.

Résultats
Les simulations produisent les principales conclusions suivantes :

Pénalité d'efficacité : Pour une configuration 2T, la pénalité d'efficacité relative pour une pérovskite de 1,57 eV par rapport à la bande optimale de 1,7 eV est d'environ 4,7 % à 5 %. C'est nettement inférieur aux estimations précédentes (jusqu'à 25 %) qui négligeaient le LC ou utilisaient des modèles moins rigoureux. Dans les configurations 4T, la pénalité chute davantage à environ 2 %.
Économies d'épaisseur : L'épaisseur optimale pour la cellule supérieure à faible bande interdite (1,57 eV) est réduite de plus de 50 % par rapport au cas de la bande optimale. Par exemple, dans le cas de référence 2T, l'épaisseur optimale pour 1,57 eV est de ~733 nm, alors que la bande optimale nécessite ~1500 nm.
Magnitude du couplage luminescent : La densité de courant de couplage luminescent ( $J_{1\to2}$ ) augmente de manière abrupte avec l'épaisseur pour les faibles bandes interdites, atteignant 4,37 mA/cm² à 1500 nm. Ce couplage est essentiel pour l'adaptation de courant dans les dispositifs 2T avec des pérovskites à faible bande interdite.
Robustesse : La pénalité de ~5 % et les économies d'épaisseur de >50 % restent cohérentes à travers diverses hypothèses, incluant une efficacité de luminescence interne réduite ( $Q_i = 0,7$ ), l'inclusion du piégeage de la lumière en surface avant, et l'ajout de la recombinaison non radiative dans la cellule Si.
Dépendance à la configuration : Dans les configurations 3T et 4T, la pénalité d'efficacité reste faible (~2-5 %), mais l'avantage de l'épaisseur optimale disparaît à mesure que les contraintes d'adaptation de courant sont assouplies.

Signification et affirmations
L'article soutient que les pertes d'efficacité modestes associées aux pérovskites à faible bande interdite (~1,57 eV) ont pu être précédemment sous-estimées en raison de l'absence d'une modélisation rigoureuse du LC. L'auteur affirme que ces matériaux possèdent une « pertinence précédemment sous-estimée » pour la photovoltaïque tandem.

La signification réside dans le compromis potentiel : la perte d'efficacité relative de ~5 % dans les configurations 2T est compensée par :

Économies de matériaux : Une réduction de l'épaisseur de l'absorbant de plus de la moitié, ce qui est critique pour les techniques de dépôt sous vide et la réduction des coûts.
Stabilité : Les matériaux à faible bande interdite présentent souvent des tensions plus proches de leurs limites radiatives et souffrent moins de la ségrégation de phase et des inhomogénéités de composition par rapport aux homologues à bande interdite plus large.
Toxicité : Des films plus minces réduisent la teneur totale en plomb (Pb) par surface de module.
Polyvalence : Ces matériaux sont adaptés aux modules à jonction simple à haute efficacité (dans les configurations 4T) et aux applications spatiales grâce à une tolérance supérieure aux radiations.

L'auteur conclut que son modèle permet une sélection de matériaux de bande interdite basée sur des données, permettant de mettre en balance les considérations de performance avec les critères de stabilité et de fabrication, ce qui pourrait motiver une réévaluation stratégique du développement de tandems Pk-Si avec des absorbeurs à faible bande interdite.

Résumé Technique : Modélisation des pénalités d'efficacité des pérovskites à faible bande interdite dans les cellules tandem à base de Si

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