Le Conseil national de la recherche italien dévoile une tuile photovoltaïque bifaciale à spectre divisé 4T

fr.wedoany.com Rapport : Une équipe de recherche du Conseil national de la recherche italien (CNR) a présenté une tuile photovoltaïque à quatre bornes (4T), conçue selon le principe de la division spectrale pour traiter séparément les bandes du spectre solaire : la lumière visible est dirigée vers une cellule en arséniure de gallium (GaAs), tandis que le rayonnement infrarouge est acheminé vers une cellule en silicium bifaciale, chaque type de cellule remplissant sa fonction spécifique.

Au cœur optique de ce système se trouve un prisme en verre à angle droit de forme cunéiforme. Floriana Morabito, première auteure de l'article, a expliqué à pv magazine que le cœur optique combine la réflexion interne totale (RIT) sur la surface supérieure avec la réflexion dichroïque sur des miroirs, jouant ainsi le rôle de guide de lumière. Silvia Maria Pietralunga, auteure correspondante, a ajouté que la cellule bifaciale en silicium à bande interdite étroite (NBG) du dispositif est orientée face arrière vers le sud, ce qui favorise la collecte du rayonnement d'albédo provenant du sol ; la cellule en arséniure de gallium à large bande interdite (WBG), disposée à 90 degrés, permet de réduire à la fois l'occupation du sol et l'auto-ombrage du module à un niveau faible.

Ces travaux ont été publiés dans la revue Solar Energy sous le titre « Validation expérimentale et évaluation numérique d'une tuile photovoltaïque à spectre divisé 4T avec capacité bifaciale non conventionnelle et ombrage minimisé ». Le prototype a été construit autour d'un prisme cunéiforme à angle droit en verre N-BK7 de Schott, intégrant une cellule en arséniure de gallium de 2,0 cm × 2,0 cm avec un rendement de 20 %, ainsi qu'une cellule bifaciale en silicium à hétérojonction (HJT) de 6,8 cm × 2,0 cm avec un rendement d'environ 24 % et un taux de bifacialité de 90 % ; la face inférieure et la face arrière du prisme sont recouvertes de revêtements antireflets.

La division spectrale est assurée par des miroirs dichroïques complémentaires passe-long et passe-court. Les deux miroirs sont placés à un angle d'incidence de 45 degrés, avec une longueur d'onde de coupure de 805 nm, une valeur qui se situe précisément près de l'intersection des courbes d'efficacité quantique externe des cellules en silicium et en arséniure de gallium, permettant ainsi d'acheminer chaque segment du spectre vers la cellule cible.

Les chercheurs ont utilisé une impression 3D en résine pour fabriquer un support en deux pièces, intégrant le prisme, les miroirs, la cellule en silicium et la cellule en arséniure de gallium encapsulée. En raison des intervalles d'air inévitables entre le prisme, les miroirs et les cellules, le prototype assemblé présente des écarts par rapport à la conception optique idéale, se manifestant par des pertes optiques supplémentaires.

Les tests de performance en extérieur ont été menés au laboratoire CNR-IMM de Catane, en Italie, sur une terrasse au sol en céramique. Les mesures suivent globalement les principes de la norme IEC 60904-2, mais l'équipe indique que la structure 4T, différente des modules conventionnels, ne permet pas une conformité totale. Les expériences ont été réalisées lors de quatre journées ensoleillées entre fin mai et mi-juillet 2025, avec une fenêtre d'observation de 9 h à 17 h. Trois pyranomètres ont enregistré à intervalles de 5 secondes respectivement l'irradiance horizontale globale, l'irradiance inclinée côté avant et l'irradiance réfléchie atteignant la face arrière ; deux spectroradiomètres ont mesuré l'irradiance spectrale horizontale globale et l'irradiance spectrale normale directe dans la plage de 300 nm à 1100 nm.

Les chercheurs ont également comparé les données mesurées du prototype avec les résultats de simulations en conditions idéales. Le dispositif idéal maintient un rapport de puissance optique supérieur à 90 % sur une large plage d'angles d'incidence, tandis que le prototype fabriqué atteint au maximum environ 62 %. Lors des mesures en extérieur, le courant normalisé de la cellule en silicium est resté assez stable tout au long de la journée, avec un pic autour du midi solaire, et augmente légèrement lorsque la tuile photovoltaïque est plus proche du sol ; la cellule en arséniure de gallium n'est pas sensible à la hauteur au-dessus du sol, mais en raison de sa tolérance angulaire plus faible, sa sortie varie davantage au cours de la journée, avec un pic également autour du midi.

Morabito a indiqué qu'en conditions extérieures, pour une cellule bifaciale en silicium avec un rendement de 23 %, le photocourant mesuré augmente nettement d'environ 7 % le matin et le soir autour du solstice d'été à une latitude de 37°30' N. Le photocourant maximal ne varie pas avec la hauteur au-dessus du sol, et le gain optimal en fonctionnement bifacial correspond à une hauteur de 19 cm. Les résultats des tests convergent vers une conclusion : l'architecture 4T permet de réduire l'auto-ombrage tout en exploitant plus pleinement le rayonnement réfléchi par le sol, le fonctionnement bifacial offrant davantage de bénéfices à des hauteurs d'installation relativement faibles.

Pietralunga a indiqué que, d'un point de vue global, cette solution 4T pourrait présenter une viabilité économique — avec une production plus élevée par unité de surface et des supports mécaniques à faible impact. Elle estime que les défis actuels ont des perspectives de résolution prometteuses, avec une marge d'amélioration considérable, et qu'il est possible qu'une opportunité de marché viable émerge dans un avenir proche.