Les technologies solaires actuelles ne sont pas assez bonnes. Antonio Garcia sur Unsplash, FAL

La demande d'électricité moins chère et plus verte signifie que le paysage énergétique évolue plus rapidement qu'à tout autre moment de l'histoire. Cela est particulièrement vrai de électricité solaire et stockage de la batterie. Le coût des deux a chuté à des taux sans précédent au cours de la dernière décennie et des technologies écoénergétiques telles que Éclairage à DEL se sont également développés.

L'accès à l'énergie et au stockage solaires bon marché et omniprésents transformera la façon dont nous produisons et utilisons l'énergie, permettant l'électrification du secteur des transports. Il existe un potentiel pour de nouvelles économies basées sur la chimie dans lesquelles nous stocker l'énergie renouvelable comme carburant, et prendre en charge les nouveaux appareils constituant un "Internet des objets ».

Mais nos technologies énergétiques actuelles ne nous mèneront pas vers cet avenir: nous atteindrons bientôt les limites d'efficacité et de coût. le potentiel de réductions futures dans le coût de l'électricité à partir du silicium solaire, par exemple, est limité. La fabrication de chaque panneau demande une bonne quantité d'énergie et les usines sont cher à construire. Et bien que le coût de production puisse être réduit un peu plus, les coûts d'une installation solaire sont désormais dominé par les figurants - l'installation, le câblage, l'électronique et ainsi de suite.

Cela signifie que les systèmes d'énergie solaire actuels ne satisferont probablement pas la fraction requise de nos besoins énergétiques mondiaux de 30 TéraWatt (TW) (ils produisent moins de 1 TW aujourd'hui) assez rapide pour résoudre des problèmes tels que le changement climatique.

De même, nos technologies d'éclairage et d'affichage LED actuelles sont trop chères et ne sont pas d'une qualité de couleur suffisante pour remplacer de manière réaliste l'éclairage traditionnel dans un laps de temps suffisamment court. C'est un problème, car l'éclairage représente actuellement 5% des émissions mondiales de carbone. De nouvelles technologies sont nécessaires pour combler cette lacune, et rapidement.

Pérovskites aux halogénures

Notre laboratoire à Cambridge, Angleterre, travaille avec une nouvelle famille de matériaux prometteuse connue sous le nom de pérovskites halogénures. Ce sont des semi-conducteurs, conducteurs de charges lorsqu'ils sont stimulés par la lumière. Les encres pérovskite sont déposées sur du verre ou du plastique pour former des films extrêmement minces - environ un centième de la largeur d'un cheveu humain - composés de métal, d'halogénure et d'ions organiques. Lorsqu'ils sont pris en sandwich entre les contacts d'électrode, ces films font cellule solaire ou dispositifs à LED.

Étonnamment, la couleur de la lumière qu'ils absorbent ou émettent peut être modifiée simplement en modifiant leur structure chimique. En changeant la façon dont nous les cultivons, nous pouvons les adapter pour être plus adaptés à l'absorption de la lumière (pour un panneau solaire) ou à l'émission de lumière (pour une LED). Cela nous permet de fabriquer des cellules solaires et des LED de différentes couleurs émettant de la lumière allant de l'ultra-violet, jusqu'au visible et au proche infrarouge.

Malgré leur traitement bon marché et polyvalent, ces matériaux se sont révélés remarquablement efficaces en tant que cellules solaires et émetteurs de lumière. Les cellules solaires pérovskite touchées 25.2% d'efficacité en 2019, chaud sur les talons des cellules de silicium cristallin à 26.7%, et les LED pérovskite sont déjà approchant les performances des diodes électroluminescentes organiques (OLED) disponibles dans le commerce.

Ces technologies sont commercialisé rapidement, en particulier sur le front des cellules solaires. La société britannique Oxford Photovoltaics a construit une ligne de production et remplit ses premiers bons de commande au début 2021. La société polonaise Saule Technologies a lancé des produits prototypes à la fin de 2018, dont un pilote de façade solaire pérovskite. Le fabricant chinois Microquanta Semiconductor prévoit de produire plus de 200,000 mètres carrés de panneaux dans sa ligne de production avant la fin de l'année. L'entreprise américaine Swift Solar (une entreprise que j'ai cofondée) est pionnière haute performance cellules aux propriétés légères et flexibles.

Encres électroluminescentes de couleur pérovskite pouvant être coulées en couches minces. © Sandeep Pathak, Auteur fourni

Entre ces entreprises et d'autres, des progrès rapides sont réalisés.

Fenêtres solaires et panneaux flexibles

Contrairement aux cellules de silicium conventionnelles, qui doivent être très uniformes pour un rendement élevé, les films de pérovskite sont composés de «grains» de mosaïque de taille et de chimie très variables (du nanomètre au millimètre) - et pourtant elles fonctionnent presque aussi bien que les meilleures cellules de silicium d'aujourd'hui. De plus, de petites imperfections ou défauts dans les films de pérovskite n'entraînent pas de pertes de puissance significatives. De tels défauts seraient catastrophiques pour un panneau de silicium ou une LED commerciale.

Bien que nous essayions toujours de comprendre cela, ces matériaux forcent la communauté à réécrire le manuel pour ce que nous considérons comme un semi-conducteur idéal: ils peuvent avoir de très bonnes propriétés optiques et électroniques malgré - ou peut-être même à cause de - désordre.

Nous pourrions hypothétiquement utiliser ces matériaux pour fabriquer des cellules solaires de couleur «design» qui se fondent dans des bâtiments ou des maisons, ou des fenêtres solaires qui ressemblent à du verre teinté mais génèrent power.

Mais la véritable opportunité est de développer des cellules hautement efficaces au-delà de l'efficacité des cellules en silicium. Par exemple, nous pouvons superposer deux films de pérovskite colorés différents ensemble dans un Cellule solaire «tandem». Chaque couche récolterait différentes régions du spectre solaire, augmentant ainsi l'efficacité globale de la cellule.

Un autre exemple est celui d'Oxford PV: l'ajout d'une couche de pérovskite au-dessus d'une cellule de silicium standard, augmentant l'efficacité de la technologie existante. sans surcoût important. Ces approches de stratification en tandem pourraient rapidement créer un augmentation de l'efficacité de panneaux solaires au-delà de 30%, ce qui réduirait à la fois les coûts des panneaux et du système tout en réduisant leur empreinte énergétique.

Ces couches de pérovskite sont également en cours de développement pour fabriquer des panneaux solaires flexibles qui peuvent être traités pour rouler comme du papier journal, en outre réduire les coûts. Le solaire léger et à haute puissance ouvre également des possibilités pour alimenter les véhicules électriques et les satellites de communication.

Cellule solaire prototype en pérovskite flexible. Plamen Petkov pour Scientific American

Pour les LED, les pérovskites peuvent réaliser des qualité de la couleur ce qui pourrait conduire à des technologies d'affichage flexibles. Les pérovskites pourraient également donner une meilleure qualité éclairage blanc que les LED commerciales d'aujourd'hui, avec la «température de couleur» d'un globe pouvant être fabriqué pour donner une lumière blanche froide ou chaude ou toute nuance désirée entre les deux. Ils génèrent également de l'enthousiasme comme éléments de base pour futurs ordinateurs quantiques, aussi bien que Détecteurs à rayons X pour l'imagerie médicale et de sécurité à très faible dose.

Bien que les premiers produits émergent déjà, des défis subsistent. Un problème clé est de démontrer stabilité à long terme. Mais les recherches sont prometteuses, et une fois celles-ci résolues, les pérovskites halogénures pourraient vraiment propulser la transformation de notre production et de notre consommation d'énergie.

À propos de l’auteur

Sam Stranks, chargé de cours en énergie et chercheur universitaire de la Royal Society, l'Université de Cambridge

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

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