Modélisation TCAD Silvaco, simulation optique et optimisation pour cellules solaires tandem à courant élevé en pérovskite et u-CIGS avec des rendements supérieurs à 30 %

Une énergie plus propre grâce à une meilleure capture du soleil

Alors que le monde cherche à réduire les émissions de carbone tout en répondant à une demande énergétique croissante, les panneaux solaires sont sous pression pour tirer davantage de chaque rayon de soleil. Cette étude explore un nouveau type de cellule « tandem » qui empile deux matériaux absorbeurs de lumière avancés, visant à extraire plus d’électricité d’un même ensoleillement tout en évitant des éléments rares ou toxiques comme le plomb et l’indium. Le travail utilise des simulations informatiques détaillées pour montrer comment un tel dispositif pourrait réalistement atteindre des rendements supérieurs à 30 %, une avancée majeure par rapport à la plupart des panneaux actuels.

Pourquoi l’empilement des couches solaires augmente la performance

Les panneaux solaires conventionnels utilisent une seule couche absorbante, ce qui signifie qu’ils ne peuvent capter que les photons dont l’énergie suffit à franchir la bande interdite de ce matériau. Les photons à énergie plus élevée perdent leur excès d’énergie sous forme de chaleur, et les photons à énergie plus faible traversent le matériau, représentant autant de lumière perdue. Une cellule tandem résout cela en empilant deux absorbeurs différents. La couche supérieure est accordée pour capter la partie plus bleue et plus énergétique du spectre, tandis que la couche inférieure est optimisée pour récupérer la lumière plus rouge et de moindre énergie qui la traverse. Comme chaque couche travaille plus près de sa gamme d’énergie idéale, le dispositif combiné peut convertir une plus grande fraction du rayonnement solaire en électricité utile.

Construire un tandem plus écologique : sans plomb et sans indium

Les auteurs conçoivent un dispositif à deux couches dans lequel la cellule supérieure est composée d’une pérovskite sans plomb appelée iodure de méthylammonium-bismuth (MBI), et la cellule inférieure est une couche mince du semi-conducteur CIGS bien connu (séléniure de cuivre, indium et gallium). Pour éviter l’utilisation de l’indium rare dans l’électrode frontale transparente, ils remplacent l’oxyde d’indium-étain (ITO) couramment utilisé par de l’oxyde d’étain dopé au fluor (FTO). Le FTO évite non seulement les problèmes d’approvisionnement, mais tolère aussi des températures et une usure mécanique plus élevées, ce qui le rend attractif pour la production à grande échelle. La cellule MBI simulée avec FTO atteint plus de 15 % d’efficacité à elle seule, établissant une base solide pour l’empilement avec la couche CIGS en dessous.

Comment un réglage minutieux débloque une haute efficacité

Simplement empiler une cellule sur une autre ne garantit pas une meilleure performance : les deux sous-cellules doivent fournir le même courant électrique lorsqu’elles sont branchées en série, sinon la plus faible limitera l’ensemble du dispositif. Pour résoudre cela, les chercheurs utilisent une recherche numérique en deux étapes pour affiner l’épaisseur de la couche MBI afin que le courant des cellules supérieure et inférieure corresponde à une marge très faible. Ils modélisent également la façon dont la lumière se réfléchit, interfère et est absorbée en traversant chaque couche — de la vitre de couverture et du contact frontal FTO, à travers la pérovskite et un connecteur très fin à base d’or, jusqu’au film CIGS et au contact métallique arrière. Parallèlement, ils calculent le mouvement, la recombinaison et la collecte des électrons et des trous, en utilisant des modèles physiques validés par des expériences sur des cellules simples réelles.

Ce que révèlent les simulations sur la cellule tandem

Avec ces détails en place, le dispositif tandem simulé utilise une couche MBI d’environ 420 nanomètres d’épaisseur au-dessus d’une couche CIGS de 500 nanomètres. La cellule supérieure absorbe presque toute la lumière de longueurs d’onde inférieures à environ 650 nanomètres, tandis que les photons de longueur d’onde plus longue la traversent et sont efficacement captés par le CIGS. Le résultat est une densité de courant commune proche de 20 milliampères par centimètre carré dans les deux couches. Sous des hypothèses idéalisées concernant la perfection des matériaux et les pertes optiques, le modèle produit un rendement de conversion d’énergie frappant d’environ 36 %. Lorsque les auteurs intègrent des niveaux de défauts et de pertes d’interface plus réalistes, la performance se stabilise autour de 30 %, toujours nettement supérieure à la plupart des panneaux commerciaux à jonction unique et en accord avec les meilleurs prototypes tandem rapportés ces dernières années.

Pourquoi cette approche compte pour les panneaux solaires du futur

Pour les non‑spécialistes, le message clé est que la conception intelligente — plutôt que de la physique exotique — peut pousser les panneaux solaires bien au‑delà des limites d’efficacité actuelles. En empilant une pérovskite sans plomb accordée à la lumière bleue au‑dessus d’une couche CIGS accordée à la lumière rouge, et en remplaçant l’indium rare par du verre FTO plus robuste, les auteurs dessinent une voie vers des modules solaires plus propres, plus puissants et plus durables. Leurs simulations servent de feuille de route, montrant quelles épaisseurs de couche, quels matériaux de contact et quelles qualités d’interface importent le plus. Si les scientifiques des matériaux parviennent à approcher ces conditions au laboratoire et en production, des panneaux solaires capables de convertir un tiers ou plus du rayonnement solaire entrant en électricité pourraient devenir une réalité pratique, aidant à répondre aux besoins énergétiques mondiaux avec moins de panneaux, moins d’emprise au sol et un impact environnemental réduit.

Citation: Mosalanezhad, R., Shayesteh, M.R. & Pourahmadi, M. Silvaco TCAD modeling, optical simulation, and optimization for high-current perovskite and u-CIGS tandem solar cells with efficiencies above 30%. Sci Rep 16, 8611 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39816-6

Mots-clés: cellules solaires tandem, photovoltaïque pérovskite, couche mince CIGS, matériaux solaires sans plomb, simulation de cellules solaires