Au-delà de l’indium et de l’argent
vers des cellules solaires plus durables
© Cyril FRESILLON – CNRS Images
Avec l’essor mondial des technologies solaires, leur dépendance à des matériaux rares comme l’indium et l’argent soulève de nouveaux défis. Dans le cadre du projet SOLSTICE, nous explorons des matériaux alternatifs tels que l’iodure de cuivre, afin de développer des dispositifs photovoltaïques plus durables et adaptables à grande échelle.
Par Saraf Khan, doctorant à iCube et à l’IJL, et membre du projet SOLSTICE.
L’énergie solaire est largement considérée comme une solution clé pour la transition énergétique mondiale. Grâce aux progrès technologiques et à l’augmentation des volumes de production, les cellules solaires deviennent très performantes et abordables. Cependant, ce déploiement à grande échelle soulève une question cruciale : les matériaux utilisés pour fabriquer les cellules solaires sont-ils réellement durables ?
Minimiser la dépendance aux matériaux critiques
Dans les cellules solaires, certaines couches doivent remplir simultanément deux fonctions : laisser passer la lumière tout en collectant les charges électriques. Ce sont des matériaux conducteurs transparents, essentiels au bon fonctionnement des dispositifs.
Classiquement, ces couches sont composées de composés à base d’indium ou d’éléments métalliques comme l’argent. L’indium et l’argent sont tous deux largement utilisés en photovoltaïque et en optoélectronique en raison de leurs remarquables propriétés électriques. L’indium est un composant essentiel de l’oxyde d’indium-étain (ITO), tandis que l’argent est couramment utilisé pour les électrodes conductrices. Cependant, l’approvisionnement et le coût de ces deux matériaux posent problème. Par exemple, l’indium est relativement rare car il est obtenu comme sous-produit de l’extraction du zinc, tandis que la demande croissante d’argent dans les architectures de cellules solaires soulève des inquiétudes quant à sa disponibilité à long terme et aux coûts de fabrication. Ces difficultés ont encouragé la recherche d’alternatives telles que l’iodure de cuivre (CuI) pour des applications photovoltaïques durables.
Le remplacement de ces matériaux est donc un objectif majeur de la recherche. Cependant, trouver des alternatives appropriées n’est pas chose aisée. En particulier, les matériaux conducteurs de charges positives, appelés matériaux de type p, sont beaucoup moins courants que les autres. Développer des matériaux de type p transparents et performants représente donc un défi scientifique majeur.
Iodure de cuivre : une alternative prometteuse
Parmi les matériaux étudiés au sein du consortium SOLSTICE, l’iodure de cuivre a suscité un vif intérêt grâce à la combinaison de plusieurs propriétés qui le rendent particulièrement adapté aux applications photovoltaïques.
Tout d’abord, sa transparence élevée (environ 70 à 90 %) dans le visible permet à la lumière du soleil d’atteindre les couches actives de la cellule solaire. Parallèlement, sa conductivité (10 à 100 S·cm-1) assure la conduction des charges électriques, essentielle au bon fonctionnement du dispositif. De plus, sa composition à base d’éléments relativement abondants en fait une option plus intéressante que les matériaux à base d’indium.
Ces caractéristiques font de CuI un candidat potentiel pour une utilisation comme couche conductrice transparente, notamment dans les cellules solaires à base de silicium.
Sa capacité à assurer à la fois les opérations optiques et électriques ouvre de nouvelles perspectives pour la conception de dispositifs plus efficaces et moins dépendants des matières premières critiques.
Du développement du matériau à l’intégration dans le dispositif
Afin d’exploiter pleinement ce potentiel, les efforts de recherche actuels se concentrent sur le développement de CuI sous forme de couches minces, grâce à des stratégies compatibles avec les procédés industriels. Dans cette étude, des couches de CuI ont été produites par pulvérisation cathodique magnétronique, une méthode largement utilisée pour le dépôt de couches minces dans l’industrie photovoltaïque. Le matériau a été déposé sur divers substrats composés de silice, de silicium, ainsi que sur des surfaces texturées similaires à celles des cellules solaires réelles. L’approche employée permet d’étudier la réponse du matériau dans des conditions réalistes.
Les résultats obtenus ont montré que les films de CuI développés présentent une transparence supérieure à 80 %, une conductivité de type p (26-77 S·cm-1) et des propriétés optiques parfaitement adaptées à leur utilisation dans les cellules solaires. Ces résultats confirment la pertinence du CuI comme matériau candidat dans la recherche de solutions de substitution aux composés à base d’indium.
Structure générique de cellule solaire utilisant de l’argent et de l’indium
La grille conductrice (avant et arrière) est à base d’argent, tandis que la couche anti-reflet (avant et arrière) et l’électrode transparente de collecte de charge sont à base d’indium.
La prochaine étape de nos recherches consiste à intégrer ces couches développées dans des architectures de cellules solaires complètes. Cette étape est importante pour évaluer leurs performances dans des dispositifs réels et confirmer leur compatibilité avec les technologies conventionnelles. Cependant, la stabilité sous humidité et sous éclairage demeure une question cruciale pour les couches de CuI développées avant leur intégration complète dans les cellules solaires. Nos études initiales sous humidité et sous éclairage n’ont pas révélé la formation de phases d’oxydes ou d’hydroxydes de cuivre supplémentaires, ce qui est très encourageant. Néanmoins, une diminution de la cristallinité a été observée, suggérant que le matériau peut encore évoluer sous contrainte environnementale.
Outre la question de la stabilité, certains défis techniques doivent également être pris en compte pour l’intégration dans les dispositifs. Il s’agit notamment des interactions chimiques potentielles aux interfaces, telles que les réactions impliquant l’iode, ainsi que des dommages possibles aux couches sensibles lors du dépôt. De plus, l’obtention d’une faible résistance électrique à l’interface CuI et la prévention de la diffusion du cuivre dans le silicium sont des facteurs essentiels qui doivent être contrôlés avec soin.
Par conséquent, relever ces défis sera essentiel pour garantir des performances fiables à long terme et faciliter l’intégration réussie du CuI dans les architectures photovoltaïques de nouvelle génération.
Vers des technologies photovoltaïques plus durables
Malgré des résultats initiaux prometteurs, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour optimiser pleinement le matériau et assurer sa stabilité à long terme. L’intégration de nouveaux matériaux dans les procédés industriels demeure une tâche complexe qui exige une évaluation précise. Parallèlement, des recherches sont menées pour explorer d’autres alternatives potentielles. Par exemple, nos travaux actuels portent également sur l’oxyde d’étain dopé à l’azote (SnOx:N) comme autre matériau conducteur transparent potentiel. Ces stratégies complémentaires visent à élargir la gamme des solutions existantes pour les futures technologies solaires.
En minimisant la dépendance aux matières premières critiques et en développant des options plus durables, SOLSTICE offre des alternatives pour rendre l’énergie photovoltaïque non seulement efficace, mais aussi économiquement viable à l’échelle mondiale.
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