Une équipe de chercheurs chinois a étudié une cellule solaire en pérovskite dont la géométrie hémisphérique vise à réduire la dépendance aux variations d’angle de la lumière incidente. Le concept associe une forme tridimensionnelle à une surface texturée, afin de diffuser la lumière dans plusieurs directions et d’améliorer son absorption.
Le travail a été présenté dans une étude publiée dans la revue Solar Energy. Il a été mené par des scientifiques de la Jilin Normal University et de l’Académie chinoise des sciences. À ce stade, il s’agit d’un concept évalué par simulation, et non d’une cellule démontrée en laboratoire ou d’un produit prêt à être fabriqué.
Une limite liée à l’angle d’éclairage
Les cellules photovoltaïques planes sont généralement optimisées pour recevoir la lumière selon une orientation donnée. Au cours de la journée, l’angle d’incidence évolue pourtant continuellement. Cette variation peut modifier la quantité de lumière effectivement absorbée et réduire le courant produit par la cellule, en particulier lorsque l’éclairage s’éloigne de la normale à sa surface.
Les chercheurs cherchent à limiter cette sensibilité en remplaçant la géométrie plane par une structure hémisphérique. Selon leur hypothèse, cette forme peut favoriser une collecte radiale des charges électriques et rendre la génération de charges plus homogène lorsque la direction de la lumière change.
Cinq architectures comparées
L’étude a comparé cinq architectures : une cellule plane, une structure à nanofils, une cellule hémisphérique lisse, ainsi que deux variantes hémisphériques dotées d’une surface frontale en cône arrondi, avec ou sans texture.
Les modèles reposaient sur plusieurs couches de matériaux. La cellule simulée comprenait une électrode en oxyde d’indium-étain, une couche de transport d’électrons en PCBM, un absorbeur en pérovskite de type iodure de méthylammonium et de plomb, une couche de transport des trous en oxyde de nickel et une électrode arrière en argent.
Les chercheurs ont utilisé le logiciel Lumerical pour analyser l’absorption de la lumière, sa diffusion, les champs électromagnétiques et la génération de charges. Les calculs ont couvert des longueurs d’onde comprises entre 300 et 800 nanomètres et des angles d’incidence allant de 0 à 50 degrés. Les profils de génération de charges ont ensuite été intégrés à des simulations électriques prenant en compte le transport des porteurs et leur recombinaison.
Des résultats favorables au modèle texturé
Dans la plage d’angles étudiée, la cellule hémisphérique à surface texturée et à cône arrondi a obtenu une densité moyenne de courant de court-circuit de 25,47 mA/cm². La cellule hémisphérique lisse a atteint 24,03 mA/cm², contre 22,52 mA/cm² pour l’architecture plane.
Le modèle texturé a également affiché une puissance maximale moyenne simulée de 28,25 mW/cm² et une absorption lumineuse supérieure à 95 %. Ces chiffres correspondent aux conditions du modèle et à l’intervalle angulaire retenu par les chercheurs. Ils ne constituent pas une mesure obtenue sur un dispositif fabriqué ni une garantie de performances dans une installation photovoltaïque.
Les auteurs attribuent ces résultats à plusieurs phénomènes optiques et électriques. La texture de la surface favoriserait la diffusion de la lumière dans différentes directions, tandis que la géométrie hémisphérique contribuerait à équilibrer le transport des charges. L’étude invoque également des résonances de Mie dans la couche de pérovskite pour expliquer le piégeage de la lumière.
Une étape de recherche, pas encore une technologie déployable
La proposition répond à un problème pertinent pour les cellules photovoltaïques, notamment lorsque les systèmes fonctionnent sans dispositif de suivi solaire ou lorsqu’ils doivent capter une lumière provenant de directions variables. Une meilleure tolérance angulaire pourrait, en théorie, contribuer à stabiliser la production au fil de la journée.
Mais plusieurs difficultés restent ouvertes. La fabrication d’une structure hémisphérique multicouche demande de contrôler précisément l’épaisseur et la continuité des matériaux. La pérovskite utilisée dans le modèle contient du plomb, ce qui pose des questions de confinement, de durabilité et de gestion en fin de vie. La stabilité des pérovskites face à l’humidité, à la chaleur et au rayonnement doit aussi être évaluée sur de longues périodes.
Il faudra donc passer de la simulation à la fabrication d’un prototype, puis mesurer ses performances dans des conditions contrôlées et en extérieur. Ces essais devront vérifier la puissance réelle, la stabilité des matériaux, la reproductibilité du procédé et la comparaison avec des cellules planes ou texturées existantes. Pour l’instant, les résultats indiquent surtout une piste de conception pour rendre les cellules en pérovskite moins sensibles à l’orientation de la lumière.
Source : Hemispherical perovskite solar cell design reduces sensitivity to sunlight angle
