La cellule késtérite de l’UNSW atteint 12,6 %

Dans un laboratoire de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud, une cellule solaire composée de cuivre, de zinc, d’étain et de soufre a atteint un rendement de conversion de puissance de 12,6 %. Ce dispositif en késtérite à large bande interdite s’attaque à un problème persistant : les pertes de tension freinent depuis longtemps cette famille de matériaux solaires, malgré l’utilisation d’éléments abondants sur Terre.

L’équipe de l’UNSW s’est concentrée sur les défauts qui apparaissent lors de la cristallisation de l’absorbeur CZTS. Un environnement pauvre en cuivre et riche en zinc peut favoriser les défauts bénéfiques et supprimer ceux qui provoquent la recombinaison des porteurs de charge. Mais des régions riches en cuivre et pauvres en zinc peuvent apparaître pendant le traitement, créant des défauts indésirables et des phases secondaires.

Les chercheurs ont ajusté la recette plutôt que de se limiter au mélange final. Ils ont d’abord déposé du cuivre métallique, puis l’ont remplacé par du sulfure de cuivre(I), ou Cu₂S, durant les dernières minutes. L’utilisation de Cu₂S pendant tout le procédé augmentait la perte d’étain et créait des défauts ainsi que des trous d’épingle ; ce changement programmé visait donc à stabiliser le cuivre près de la surface sans provoquer ces dommages supplémentaires. Les mesures ont révélé des liaisons cuivre-soufre plus fortes, un ordre structurel accru et une répartition élémentaire plus uniforme.

La cellule obtenue a fourni une tension en circuit ouvert de 852,8 mV, une densité de courant de court-circuit de 21,0 mA/cm² et un facteur de forme de 70,1 %. Un rendement certifié de 12,36 % a été enregistré, avec une tension en circuit ouvert de 846,7 mV mesurée à travers une surface d’ouverture de 0,2021 cm². La cathodoluminescence à basse température a également indiqué une recombinaison non radiative plus faible et moins d’états profonds de défauts localisés que dans l’échantillon de référence.

Alors, qu’est-ce que cela change en pratique ? Pas un produit installé sur un toit aujourd’hui : il s’agit d’une cellule solaire de laboratoire. Mais l’équipe estime que sa méthode pourrait aider les chercheurs à concevoir d’autres semi-conducteurs composés, notamment des candidats pour la cellule supérieure de dispositifs solaires tandem. Le dispositif a conservé des performances stables après 231 jours dans un dessiccateur rempli d’azote, tandis que sa tension en circuit ouvert a atteint 65,3 % de la limite de Shockley–Queisser, contre environ 60 % généralement obtenus par les dispositifs en késtérite à large bande interdite, selon les chercheurs.