Il y a environ 200 ans, le géologue russe Gustav Rose découvrait les pérovskites, une classe de minéraux à la structure particulière nommée en l’honneur du minéralogiste Lev Perovski. Aujourd’hui, les physiciens étudient activement ces structures cristallines afin d’en faire le composant majeur des futures cellules photovoltaïques. Remplaçant les actuelles cellules au silicium, les cellules photovoltaïques à pérovskites devraient être plus faciles et bien moins chères à fabriquer. 

Tous les matériaux dotés de cette structure, appelés pérovskites, ne sont pas des semi-conducteurs. Mais les pérovskites basées sur un métal et un halogène le sont, et elles détiennent un énorme potentiel en tant que cellules photovoltaïques qui pourraient être beaucoup moins chères à fabriquer que les cellules à base de silicium, qui ont dominé le marché depuis leur création dans les années 1950. Assez de potentiel, disent les chercheurs, pour peut-être un jour surpasser de manière significative la part des combustibles fossiles dans le secteur de l’énergie.

L’étude publiée dans la revue Science, dirigée par des chercheurs de l’Université d’Oxford, a révélé qu’un additif moléculaire — un sel basé sur le composé organique pipéridine — améliore considérablement la longévité des cellules solaires en pérovskite. Les résultats présentés dans les trois articles approfondissent la compréhension d’un semi-conducteur prometteur qui découle d’une découverte faite il y a longtemps par un minéralogiste russe.

Vers une meilleure compréhension et une amélioration de la stabilité des pérovskites

Dans les montagnes de l’Oural en 1839, Gustav Rose est tombé sur un oxyde de calcium et de titane avec une structure cristalline intrigante et l’a nommée pérovskite. La pérovskite fait désormais référence à une gamme de matériaux qui partagent le réseau cristallin du minéral original. Leur intérêt a commencé à s’accélérer en 2009 après qu’un scientifique japonais, Tsutomu Miyasaka, a découvert que certaines pérovskites absorbaient efficacement la lumière.

« En raison de leur faible coût, les cellules solaires en pérovskite ont le potentiel de réduire les combustibles fossiles et de révolutionner le marché de l’énergie. Un aspect mal compris de cette nouvelle classe de matériaux, cependant, est leur stabilité sous un éclairage constant, un problème qui représente un obstacle à la commercialisation », explique John Labram de l’OSU College.

appareil perovskite

Appareil utilisé par les chercheurs pour tester les cellules à pérovskites. Crédits : John Labram

Au cours des deux dernières années, le groupe de recherche de Labram a construit un appareil expérimental unique pour étudier les changements de conductance des matériaux solaires au fil du temps. « En faisant équipe avec l’Université d’Oxford, nous avons démontré que l’instabilité induite par la lumière se produit sur plusieurs heures, même en l’absence de contact électrique. Les résultats aident à clarifier les résultats similaires observés dans les cellules solaires et détiennent la clé pour améliorer la stabilité et la viabilité commerciale des cellules solaires à pérovskite ».

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Une efficacité similaire aux cellules au silicium, pour des coûts de production bien moins élevés

L’efficacité des cellules solaires est définie par le pourcentage de puissance de la lumière solaire frappant une cellule qui est convertie en énergie électrique utilisable. Il y a sept décennies, Bell Labs a développé la première cellule solaire. Elle avait une efficacité modeste, selon les normes d’aujourd’hui, de 6% et était coûteuse à fabriquer, mais a trouvé une niche pour alimenter les satellites lancés au début de la course à l’espace.

Au fil du temps, les coûts de fabrication ont diminué et les rendements ont grimpé, même si la plupart des cellules n’ont pas beaucoup changé — elles sont toujours constituées de deux couches de silicium presque pur dopées avec un additif. Absorbant la lumière, elles utilisent son énergie pour créer un courant électrique à travers la jonction qui les séparent.

structure perovskite

Structure cristalline d’une pérovskite. Crédits : John Labram

En 2012, l’un des collaborateurs de Labram, Henry Snaith d’Oxford, a fait la découverte révolutionnaire que les pérovskites pouvaient être utilisées comme composant principal dans les cellules solaires, plutôt que simplement comme sensibilisateur. Cela a conduit à une forte activité de recherche et à la publication chaque année de milliers d’articles sur le sujet. Huit ans de recherche plus tard, les cellules de pérovskite peuvent désormais fonctionner avec une efficacité de 25%, ce qui les rend, au moins en laboratoire, comparables aux cellules de silicium du commerce.

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Les cellules de pérovskite peuvent être fabriquées à peu de frais à partir de produits chimiques industriels et de métaux couramment disponibles. De plus, elles peuvent être imprimées sur des films flexibles en plastique et produites en masse. Les cellules en silicium, à l’inverse, sont rigides et fabriquées à partir de tranches de silicium presque pur dans un processus coûteux à haute température.

Le tandem silicium-pérovskite : une voie d’accès au marché du photovoltaïque

Un problème avec les pérovskites est leur tendance à être quelque peu instables lorsque les températures augmentent, et un autre est une vulnérabilité à l’humidité, une combinaison qui peut entraîner la décomposition des cellules. C’est un problème pour un produit qui doit durer deux ou trois décennies en plein air.

Les pérovskites, d’autre part, sont très tolérantes aux défauts cristallins. « Elles peuvent être dissoutes dans un solvant, puis imprimées à une température proche de la température ambiante. Cela signifie qu’elles pourraient éventuellement être produites à une fraction du coût du silicium, et donc réduire les combustibles fossiles. Cependant, pour cela, elles doivent être certifiables avec une garantie de 25 ans. Cela nous oblige à comprendre et à améliorer la stabilité de ces matériaux », indique Labram.

L’une des voies d’accès au marché est une cellule tandem composée à la fois de silicium et de pérovskites qui pourraient transformer une plus grande partie du spectre solaire en énergie. Les tests en laboratoire sur les cellules en tandem ont produit des rendements de 28%. Les films de pérovskite semi-transparents peuvent également un jour être utilisés sur les fenêtres ou dans les serres, convertissant une partie de la lumière solaire entrante en électricité tout en laissant passer le reste.

Sources : Science

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