Une nouvelle conception de cellules solaires qui utilise des matériaux peu coûteux et couramment disponibles pourrait rivaliser et même surpasser les cellules conventionnelles en silicium.
Les scientifiques ont utilisé de l'étain et d'autres éléments abondants pour créer de nouvelles formes de perovskite - un matériau cristallin photovoltaïque plus mince, plus flexible et plus facile à fabriquer que les cristaux de silicium. Ils rapportent leurs recherches dans la revue Sciences.
«Les semi-conducteurs à base de perovskite se sont avérés très prometteurs pour fabriquer des cellules solaires à haut rendement à faible coût», explique Michael McGehee, coauteur de l'étude et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de Stanford. «Nous avons conçu un dispositif robuste, entièrement pérovskite, qui convertit la lumière du soleil en électricité avec une efficacité de 20.3%, un taux comparable aux cellules solaires au silicium actuellement sur le marché.
Double pile de pérovskite
Le nouveau dispositif consiste en deux cellules solaires à pérovskite empilées en tandem. Chaque cellule est imprimée sur du verre, mais la même technologie pourrait être utilisée pour imprimer les cellules sur du plastique.
«Les cellules tandems tout-pérovskites que nous avons démontrées établissent clairement une feuille de route pour les cellules solaires à couches minces afin de fournir un rendement en pourcentage 30», explique le co-auteur Henry Snaith, professeur de physique à l'Université d'Oxford. "Ce n'est que le début."
Des études antérieures ont montré que l'ajout d'une couche de perovskite peut améliorer l'efficacité des cellules solaires au silicium. Mais un dispositif en tandem composé de deux cellules tout-pérovskites serait moins cher et nécessiterait moins d'énergie à construire, disent les scientifiques.
«Un panneau solaire en silicium commence par convertir la roche de silice en cristaux de silicium selon un processus impliquant des températures supérieures à 3,000 degrés Fahrenheit (1,600 degrés Celsius)», explique Tomas Leijtens, auteur post-doctorant à Stanford. «Les cellules de pérovskite peuvent être traitées en laboratoire à partir de matériaux courants tels que le plomb, l’étain et le brome, puis imprimées sur du verre à la température ambiante.»
Un défi difficile
Mais la construction d'un dispositif tandem tout-pérovskite a été un défi difficile. Le principal problème est de créer des matériaux pérovskites stables capables de capter suffisamment d'énergie du soleil pour produire une tension correcte.
Une cellule perovskite typique récolte des photons de la partie visible du spectre solaire. Les photons de plus haute énergie peuvent faire sauter des électrons dans le cristal de pérovskite à travers un "trou d'énergie" et créer un courant électrique.
Une cellule solaire avec un petit écart d'énergie peut absorber la plupart des photons mais produit une tension très basse. Une cellule avec un plus grand écart d'énergie génère une tension plus élevée, mais des photons de plus faible énergie la traversent.
Un dispositif tandem efficace consisterait en deux cellules parfaitement appariées, a déclaré l'auteur principal Giles Eperon, chercheur postdoctoral d'Oxford actuellement à l'Université de Washington.
"La cellule avec le plus grand écart d'énergie absorberait des photons de plus haute énergie et générerait une tension supplémentaire", explique Eperon. "La cellule avec le plus petit écart d'énergie peut récolter des photons qui ne sont pas collectés par la première cellule et produisent toujours une tension."
Problème de stabilité
Le plus petit écart s'est avéré être le plus grand défi pour les scientifiques. En travaillant ensemble, Eperon et Leijtens ont utilisé une combinaison unique d'étain, de plomb, de césium, d'iode et de matériaux organiques pour créer une cellule efficace avec un petit écart d'énergie.
"Nous avons développé une nouvelle perovskite qui absorbe la lumière infrarouge à plus faible énergie et offre un taux de conversion en pourcentage 14.8", explique Eperon. "Nous l'avons ensuite combiné avec une cellule perovskite composée de matériaux similaires mais avec un plus grand écart d'énergie."
Le résultat: un dispositif en tandem composé de deux cellules de pérovskite avec une efficacité combinée de 20.3%.
"Il y a des milliers de composés possibles pour les pérovskites," dit Leijtens, "mais celui-ci fonctionne très bien, un peu mieux que tout ce qui le précède."
L'astuce «colle» pousse de plus grandes cellules solaires pérovskites
Une préoccupation avec les pérovskites est la stabilité. Les panneaux solaires sur le toit en silicone durent généralement 25 années ou plus. Mais certaines pérovskites se dégradent rapidement lorsqu'elles sont exposées à l'humidité ou à la lumière. Dans des expériences antérieures, les pérovskites faites avec de l'étain se sont révélées particulièrement instables.
Pour évaluer la stabilité, l'équipe de recherche a soumis les deux cellules expérimentales à des températures de 212 degrés Fahrenheit (100 degrés Celsius) pendant quatre jours.
"Crucialement, nous avons constaté que nos cellules présentent une excellente stabilité thermique et atmosphérique, sans précédent pour les pérovskites à base d'étain", écrivent les auteurs.
«L'efficacité de notre dispositif tandem dépasse déjà de loin les meilleures cellules solaires en tandem fabriquées avec d'autres semi-conducteurs à faible coût, tels que les petites molécules organiques et le silicium microcristallin», explique M. McGehee. "Ceux qui voient le potentiel réaliser que ces résultats sont incroyables."
La prochaine étape est d'optimiser la composition des matériaux pour absorber plus de lumière et générer un courant encore plus élevé, dit Snaith.
«La polyvalence des perovskites, le faible coût des matériaux et de la fabrication, associés à la possibilité d'atteindre de très hauts rendements, transformeront l'industrie photovoltaïque une fois que la fabricabilité et la stabilité acceptable auront été prouvées», dit-il.
D'autres chercheurs de Stanford, d'Oxford, de l'Université Hasselt en Belgique et de SunPreme Inc. sont co-auteurs de l'étude.
Le financement provenait du Graphene Flagship, du Leverhulme Trust, du UK Engineering and Physical Sciences Research Council, du septième programme-cadre de l'Union européenne, d'Horizon 2020, du US Office of Naval Research et du Global Climate and Energy Project à Stanford.
La source: Université de Stanford
Livres connexes:
at Marché InnerSelf et Amazon
