Une nouvelle avancée dans la technologie solaire avec le développement de cellules solaires à pérovskite offre une plus grande efficacité et des coûts réduits par rapport aux cellules au silicium traditionnelles. Cette innovation répond à des défis majeurs de commercialisation, notamment en améliorant la stabilité des cellules et les procédés de fabrication. Les cellules à pérovskite sont en mesure de transformer le marché solaire, avec des applications potentielles s'étendant à l'alimentation des véhicules et à l'avancement de l'utilisation des énergies renouvelables.
Le monde de l’énergie solaire est prêt pour une révolution. Les scientifiques s'efforcent de développer un nouveau type de cellule solaire utilisant des matériaux capables de convertir l'électricité plus efficacement que les panneaux actuels.
Dans un nouvel article publié dans la revue Énergie naturelleun chercheur de l'Université du Colorado à Boulder et ses collaborateurs internationaux ont dévoilé une méthode innovante pour fabriquer les nouvelles cellules solaires, connues sous le nom de cellules à pérovskite, une réalisation essentielle pour la commercialisation de ce que beaucoup considèrent comme la prochaine génération de technologie solaire.
Aujourd'hui, presque tous les panneaux solaires sont fabriqués à partir de silicium, qui affiche un rendement de 22 %. Cela signifie que les panneaux de silicium ne peuvent convertir qu'environ un cinquième de l'énergie solaire en électricité, car le matériau n'absorbe qu'une proportion limitée des longueurs d'onde de la lumière solaire. La production de silicium est également coûteuse et gourmande en énergie.
Entrez la pérovskite. Le matériau semi-conducteur synthétique a le potentiel de convertir beaucoup plus d’énergie solaire que le silicium à un coût de production inférieur.
« Les pérovskites pourraient changer la donne », a déclaré Michael McGehee, professeur au Département de génie chimique et biologique et membre de l'Institut des énergies renouvelables et durables de CU Boulder.
Améliorer l’efficacité grâce à l’innovation
Les scientifiques ont testé des cellules solaires à base de pérovskite en les empilant sur des cellules au silicium traditionnelles pour fabriquer des cellules tandem. La superposition des deux matériaux, chacun absorbant une partie différente du spectre solaire, peut potentiellement augmenter l'efficacité des panneaux de plus de 50 %.
« Nous assistons toujours à une électrification rapide, avec de plus en plus de voitures fonctionnant à l'électricité. Nous espérons mettre hors service davantage de centrales au charbon et éventuellement nous débarrasser des centrales au gaz naturel », a déclaré McGehee. « Si vous pensez que nous aurons un avenir entièrement renouvelable, alors vous envisagez que les marchés de l’éolien et du solaire soient multipliés par au moins cinq à dix par rapport à leur niveau actuel. »
Pour y parvenir, a-t-il déclaré, l’industrie doit améliorer l’efficacité des cellules solaires.
Mais un défi majeur dans leur fabrication à partir de pérovskite à l’échelle commerciale est le processus de revêtement du semi-conducteur sur les plaques de verre qui sont les éléments constitutifs des panneaux. Actuellement, le processus de revêtement doit avoir lieu dans une petite boîte remplie de gaz non réactif, tel que l'azote, pour empêcher les pérovskites de réagir avec l'oxygène, ce qui diminue leurs performances.
«C'est très bien au stade de la recherche. Mais lorsque vous commencez à recouvrir de gros morceaux de verre, il devient de plus en plus difficile de le faire dans une boîte remplie d'azote », a déclaré McGehee.
McGehee et ses collaborateurs se sont mis en quête d'un moyen d'empêcher cette réaction dommageable avec l'air. Ils ont découvert que l’ajout de formiate de diméthylammonium, ou DMAFo, à la solution de pérovskite avant le revêtement pouvait empêcher l’oxydation des matériaux. Cette découverte permet de réaliser le revêtement en dehors de la petite boîte, à l'air ambiant. Des expériences ont montré que les cellules pérovskites fabriquées avec l'additif DMAFo peuvent atteindre à elles seules une efficacité de près de 25 %, comparable au record d'efficacité actuel des cellules pérovskites de 26 %.
L'additif a également amélioré la stabilité des cellules.
Perspectives et applications futures
Les panneaux commerciaux en silicium peuvent généralement conserver au moins 80 % de leurs performances après 25 ans, perdant environ 1 % de leur efficacité par an. Les cellules pérovskites sont cependant plus réactives et se dégradent plus rapidement dans l’air. La nouvelle étude a montré que la cellule pérovskite fabriquée avec du DMAFo conservait 90 % de son efficacité après que les chercheurs les aient exposées à une lumière LED imitant la lumière du soleil pendant 700 heures. En revanche, les cellules fabriquées dans l’air sans DMAFo se sont rapidement dégradées après seulement 300 heures.
Bien qu'il s'agisse d'un résultat très encourageant, il y a 8 000 heures par an, a-t-il noté. Des tests plus longs sont donc nécessaires pour déterminer comment ces cellules résistent au fil du temps.
« Il est trop tôt pour dire qu'ils sont aussi stables que les panneaux en silicium, mais nous sommes sur la bonne voie pour y parvenir », a déclaré McGehee.
L’étude rapproche les cellules solaires à pérovskite de la commercialisation. Dans le même temps, l'équipe de McGehee développe activement des cellules tandem offrant un rendement réel supérieur à 30 % et ayant la même durée de vie opérationnelle que les panneaux en silicium.
McGehee dirige un partenariat universitaire-industriel américain appelé Tandems for Efficient and Advanced Modules using Ultrastable Perovskites (TEAMUP). En collaboration avec des chercheurs de trois autres universités, deux entreprises et un laboratoire national, le consortium a reçu l'année dernière un financement de 9 millions de dollars du ministère américain de l'Énergie pour développer des pérovskites tandem stables pouvant être utilisées dans le monde réel et commercialement viables. L’objectif est de créer un tandem plus efficace que les panneaux en silicium conventionnels et tout aussi stable sur une période de 25 ans.
Avec une efficacité plus élevée et des prix potentiellement inférieurs, ces cellules tandem pourraient avoir des applications plus larges que les panneaux de silicium existants, y compris une installation potentielle sur les toits des véhicules électriques. Ils pourraient ajouter 15 à 25 miles d'autonomie par jour à une voiture laissée au soleil, suffisamment pour couvrir les déplacements quotidiens de nombreuses personnes. Les drones et les voiliers pourraient également être propulsés par de tels panneaux.
Après une décennie de recherche sur les pérovskites, les ingénieurs ont construit des cellules à pérovskite aussi efficaces que les cellules au silicium, inventées il y a 70 ans, a déclaré McGehee. « Nous amenons les pérovskites jusqu'à la ligne d'arrivée. Si les tandems fonctionnent bien, ils ont certainement le potentiel de dominer le marché et de devenir la prochaine génération de cellules solaires », a-t-il déclaré.
