Photovoltaïque toujours plus performant : les cellules solaires pérovskites prêtes à changer les règles du jeu

Une étude importante publiée dans Nature Energy révèle une méthode innovante de production de cellules solaires à pérovskite, promettant une percée dans le domaine de l'énergie solaire

Le panorama deénergie solaire est sur le point de connaître une transformation significative grâce au développement d’un type avancé de cellule solaire. Ces nouvelles cellules, créées par une équipe internationale dirigée par un chercheur duUniversité CU de Boulder, promettent de surpasser l’efficacité des panneaux solaires actuels, traditionnellement à base de silicium. Ces progrès, documentés dans la revue Énergie naturelleintroduit les cellules de pérovskiteles présentant comme la pointe de la technologie solaire.

Pour le moment, la plupart des panneaux solaires sur le marché est composé de silicium, avec un rendement de conversion énergétique de 22 %, ce qui signifie que seule une fraction de l'énergie solaire est transformée en électricité. Cela est dû à la capacité limitée du silicium à absorber des longueurs d’onde spécifiques de la lumière. Outre cette limite, la production de silicium se caractérise par ses coûts élevés et sa consommation énergétique énorme.

Dans ce contexte, émerge la pérovskite, un matériau semi-conducteur synthétique ayant le potentiel de convertir l’énergie solaire plus efficacement et à des coûts de production inférieurs à ceux du silicium. Michael McGeheeprofesseur au Département de génie chimique et biologique de CU Boulder, souligne l'importance révolutionnaire des pérovskites dans le secteur de l'énergie :

Nous assistons toujours à une électrification rapide, avec de plus en plus de voitures alimentées à l’électricité. Nous espérons mettre hors service davantage de centrales au charbon et éventuellement nous débarrasser des centrales au gaz naturel. Si nous pensons avoir un avenir entièrement renouvelable, nous devons alors penser à une croissance des marchés de l’énergie éolienne et solaire au moins cinq à dix fois supérieure à celle d’aujourd’hui.

Pour y parvenir, l’industrie doit améliorer l’efficacité des cellules solaires. Mais un défi majeur dans leur production à partir de pérovskite à l'échelle commerciale est le processus de revêtement du semi-conducteur sur les feuilles de verre qui constituent 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, réduisant ainsi leurs performances.

Une meilleure efficacité

La recherche a exploré l’utilisation de cellules solaires à pérovskite en combinaison avec des cellules au silicium pour former des cellules tandem. Cette combinaison tire parti de la capacité de chaque matériau à absorber différentes parties du spectre solaire, potentiellement augmentant l'efficacité des panneaux de plus de 50 %. McGehee note que l'expansion des marchés de l'énergie éolienne et solaire est essentielle à un avenir renouvelable, et que l'amélioration de l'efficacité des cellules solaires est cruciale pour atteindre cet objectif.

Un défi majeur dans la commercialisation des cellules pérovskites concerne le processus de revêtement des semi-conducteurs, qui nécessite actuellement des environnements isolés pour empêcher l’oxydation. Cependant, la découverte de l'utilisation du formiate de diméthylammonium (DMAFo) offre une solution en permettant un revêtement dans des conditions ambiantes, sans compromettre les performances du matériau.

Les cellules solaires pérovskites avec DMAFo ont démontré25 % d'efficacité, comparable aux records actuels de 26%. De plus, cette innovation a considérablement amélioré la stabilité cellulaire. Alors que les panneaux de silicium conservent 80 % de performances pendant 25 ans, les pérovskites ont tendance à se dégrader plus rapidement. Cependant, les cellules traitées au DMAFo ont conservé 90 % de leur efficacité après 700 heures d'exposition à la lumière artificielle, ce qui suggère un progrès vers une stabilité à long terme, bien que McGehee soit prudent :

C’est bien dans la phase de recherche. Mais lorsqu’on commence à revêtir de gros morceaux de verre, il devient de plus en plus difficile de le faire dans une boîte remplie d’azote. Il est trop tôt pour dire qu’ils sont aussi stables que les panneaux en silicium, mais nous sommes sur la bonne voie. Même s'il s'agit d'un résultat très encourageant, on compte 8 000 heures par an.

L'équipe de McGehee développe activement des cellules tandem avec un rendement réel supérieur à 30% et avec une durée de vie égale à celle des panneaux en silicium. Cette étude représente une étape vers la commercialisation des cellules pérovskites. McGehee dirige également un consortium universitaire-industriel qui a reçu un financement de 9 millions de dollars pour développer des cellules tandem à pérovskite stables et commercialement viables.

Ces innovations promettent non seulement d’augmenter l’efficacité et de réduire les coûts, mais pourraient également étendre l’utilisation de l’énergie solaire à de nouvelles applications, telles que la recharge des véhicules électriques et l’alimentation des drones et des voiliers. Après des années de recherche, les pérovskites atteignent des niveaux d’efficacité comparables à ceux des cellules au silicium, ouvrant la voie à un avenir dans lequel elles pourraient dominer le marché de l’énergie solaire.

Source: Université du Colorado à Boulder