A3P

Situation actuelle

Selon le scénario Shell Sky 2050, l'énergie photovoltaïque devra atteindre une capacité de production de 1 000 GW par an à partir de 2035 pour respecter l'accord de Paris et rester en deçà d'une augmentation de 2 degrés des températures mondiales. Cela représente un taux de croissance phénoménal par rapport à la capacité totale installée aujourd'hui, qui est d'environ 600 GW (à titre de référence, la capacité ajoutée 2020 était d'environ 140 GW).

Objectif du projet

L’objectif de ce projet est de faire passer la technique de recuit infrarouge éclair (Flash Infrared Annealing FIRA, technologie inventée par le professeur Christophe Ballif de l’EPFL) pour le durcissement des matériaux en couches minces de pérovskite à la vitesse supérieure en démontrant un processus rapide et continu à faible impact environnemental pour la production de dispositifs photovoltaïques à haut rendement. La méthode FIRA est appliquée pour améliorer et accélérer le temps de traitement des cellules solaires tandem pérovskite-silicium, une technologie de cellules solaires qui a le potentiel d'accélérer le déploiement de l'énergie photovoltaïque grâce à son potentiel de haute performance et à ses faibles coûts de fabrication.

Rôles des instituts de recherche

Dans le cadre de ce projet les chercheurs de la HEIA-FR sont chargés de développer le système automatisé de recuit photonique pulsé, qui sera synchronisé avec un système de dépôt de solutions. Pour ce faire, les chercheurs de l’institut SeSi ont développé et réalisé une chambre de cristallisation permettant d’accueillir des échantillons pérovskite de grande dimension (plus de 400 cm2) en vue d’une future production commerciale. Comme la technologie de fabrication des films de pérovskite n’est pas encore aboutie, de nombreux tests sont effectués pour trouver la méthode la plus efficace de production en mesurant l’intensité, la durée et la fréquence des flash photoniques. Pour faire fonctionner cette chambre de cristallisation les chercheurs de l’institut iSIS ont développé en partant de zéro un système de contrôle électronique avec une carte électronique et le logiciel embarqué qui gère le fonctionnement de la machine. Grâce à la mise en pratique du modèle MBSE (approche d’ingénierie systèmes basée sur les modèles) les chercheurs ont pu simuler le fonctionnement du système électronique et ses interactions avec la chambre de cristallisation en amont de façon virtuelle avant de le faire dans le monde réel.

Une grande quantité d’images est prise dans la chambre de cristallisation. L’institut iCoSyS s’est chargé à développer le système d’analyse de ses images en utilisant les technologies de machine learning (ML). La segmentation d'image basée sur le ML est entraînée à la détection automatique des bords des grains de cristal de pérovskite, à partir de laquelle la distribution des zones de grains de cristal, les lacunes et les phases secondaires sont calculées. Ces calculs sont importants pour caractériser la qualité du film et le dépôt conforme de pérovskite sur des substrats texturés au silicium, des facteurs clés pour la fabrication ultérieure et la mise à l'échelle de cellules solaires tandem à haute efficacité. La disponibilité de ces algorithmes accélère considérablement la recherche sur les cellules solaires à pérovskite en automatisant un processus que les scientifiques effectuaient auparavant à la main.

Avantages et impact de cette technologie

La méthode de production FIRA permet de durcir les films de pérovskite en moins de 2 secondes et d’obtenir des rendements de cellules solaires à jonction unique allant jusqu’à 20%. Il est également important de noter que cette approche n’a que 10% de l’impact environnemental par rapport à la méthode antisolvant (AS) la plus répandues, basée sur l’évaluation du cycle de vie. La méthode FIRA présente donc un potentiel unique pour la fabrication industrielle puisqu'elle peut être adaptée au traitement de plaque à plaque et de rouleau à rouleau (R2R), et qu'elle remplace les étapes de recuit qui durent des heures.

Le projet aura un impact au-delà du domaine de l'énergie photovoltaïque, car ses conclusions sur les paramètres optimaux de dépôt de couches trouveront une application dans des domaines de recherche tels que les capteurs, les dispositifs d'émission de lumière, les détecteurs et l'électronique flexible, etc.