L'étude décrit une nouvelle cellule solaire tandem entièrement en pérovskite qui pourrait constituer une solution plus économique et plus efficace pour exploiter l'énergie solaire et produire de l'électricité.
Notre dépendance aux énergies fossiles, sources d' énergie non renouvelables telles que le charbon, le pétrole et le gaz, a des conséquences désastreuses pour l'humanité et l'environnement. La combustion de ces énergies contribue à l'effet de serre et au réchauffement climatique, détruit les habitats naturels, pollue l'air, l'eau et les sols, et affecte la santé publique. Il est urgent de développer des technologies durables capables d' alimenter le monde en énergie propre. L' énergie solaire est l'une de ces solutions : elle permet de capter la lumière du soleil, la source d'énergie renouvelable la plus abondante, et de la convertir en énergie électrique. Les nombreux avantages de l'énergie solaire pour l'homme et l'environnement ont joué un rôle déterminant dans la promotion de son utilisation.
Le silicium est le matériau couramment utilisé pour fabriquer les cellules solaires des panneaux photovoltaïques disponibles sur le marché aujourd'hui. Le processus photovoltaïque permet de transformer la lumière du soleil en électricité sans aucun combustible. La conception et l'efficacité des panneaux solaires en silicium se sont considérablement améliorées au cours des dernières décennies grâce aux progrès réalisés dans les domaines de la fabrication et des technologies. L'efficacité photovoltaïque d'une cellule solaire correspond à la proportion d'énergie solaire convertie en électricité. L'efficacité photovoltaïque et le coût global constituent les deux principaux facteurs limitant le développement des panneaux solaires actuels.
Outre les cellules solaires en silicium, il existe également des cellules solaires tandem , qui utilisent des cellules spécifiques optimisées pour chaque partie du spectre solaire, ce qui permet d'accroître leur rendement global. Les pérovskites sont considérées comme plus performantes que le silicium pour absorber les photons bleus de haute énergie de la lumière solaire, c'est-à-dire une autre partie du spectre solaire. Les pérovskites sont des matériaux polycristallins (généralement du trihalogénure de plomb et de méthylammonium (CH₃NH₃PbX₃, où X représente l'iode, le brome ou le chlore)). Elles sont faciles à transformer en couches absorbant la lumière solaire. Des études antérieures ont combiné silicium et pérovskites dans des cellules solaires, avec des cellules de silicium en surface capables d'absorber les photons jaunes, rouges et infrarouges proches, en complément des cellules de pérovskite, ce qui a permis de quasiment doubler la production d'énergie.
Dans une nouvelle étude publiée dans Science le 3 mai, des chercheurs ont développé pour la première fois des cellules solaires tandem entièrement composées de pérovskite, atteignant un rendement de 25 %. Ce matériau est appelé film de pérovskite mixte plomb-étain à faible bande interdite ((FASnI3)0.6 MAPbI3)0.4 ; FA pour formamidinium et MA pour méthylammonium). L'étain présente l'inconvénient de réagir avec l'oxygène de l'air, créant des défauts dans le réseau cristallin qui peuvent perturber la circulation des charges électriques dans la cellule solaire et ainsi limiter son rendement. Les chercheurs ont trouvé un moyen d'empêcher l'étain de réagir avec l'oxygène dans la pérovskite. Ils ont utilisé un composé chimique appelé thiocyanate de guanidinium pour améliorer significativement les propriétés structurales et optoélectroniques des films de pérovskite mixte plomb-étain à faible bande interdite. Ce composé enrobe les cristallites de pérovskite dans le film absorbant l' énergie solaire , empêchant ainsi l'oxygène de pénétrer et de réagir avec l'étain. Ceci améliore immédiatement le rendement de la cellule solaire de 18 à 20 %. De plus, lorsque ce nouveau matériau a été combiné avec la couche supérieure de pérovskite à haute absorption classique, l'efficacité a encore augmenté pour atteindre 25 %.
L'étude actuelle décrit pour la première fois la conception de cellules solaires en tandem utilisant tous les films minces de pérovskite et cette technologie pourrait un jour remplacer le silicium dans les cellules solaires. Le nouveau matériau est de haute qualité, peu coûteux et sa fabrication est plus simple tandis que son coût est faible par rapport aux cellules tandem au silicium et aux pérovskites. Les pérovskites sont des matériaux artificiels par rapport au silicium et les panneaux solaires à base de pérovskites sont flexibles, légers et semi-transparents. Bien que le matériau actuel mettra un certain temps à surpasser l'efficacité de la technologie silicium-pérovskite. Néanmoins, les films polycristallins à base de pérovskite ont le potentiel de concevoir des cellules solaires en tandem qui pourraient fournir une efficacité allant jusqu'à 30% tout en gardant d'autres facteurs sans entrave. Des études supplémentaires sont nécessaires pour rendre le matériau robuste, plus stable et également recyclable afin de réduire l'impact sur l'environnement. Le secteur de l'énergie solaire est l'un des plus dynamiques et l'objectif ultime est de découvrir une alternative prometteuse pour l'énergie propre.
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Sources)
Tong J. et al. 2019. Durée de vie des porteurs supérieure à 1 μs dans les pérovskites Sn-Pb : un atout pour les cellules solaires tandem tout-pérovskite. Science, 364 (6439). https://doi.org/10.1126/science.aav7911
