Pérovskite : démonstration de cellules solaires abondantes, bon marché et imprimables, prêtes à produire de l'électricité

31 mai 2023 par David Beynon

Les laboratoires du monde entier font la course pour fabriquercellules solaires en pérovskite imprimables, produites en abondance et si fines qu'elles peuvent être enroulées autour de presque tout . C'est un énorme avantage par rapport à la cellule en silicium typique qui est relativement grande et fragile. Et la pérovskite est beaucoup moins chère à produire.David Beynon à l'Université de Swansea décrit des recherches qui ont démontré comment un rouleau de film plastique peut être chargé dans une presse à imprimer pour produire des cellules solaires en pérovskite prêtes à générer de l'énergie. C'est un défi d'ingénierie car la couche de pérovskite doit êtreentre 50 et 500 nanomètres d'épaisseur . L'équipe a utilisé un"processus de revêtement à matrice plate", une technique industrielle établie utilisée à l'origine pour la production de films photographiques. LeEfficacité de conversion de puissance de 10 %est bon, mais il doit atteindre 17 % pour correspondre au silicium commercial.Les moyens d'améliorer ce nombre sont déjà bien compris , dit Beynon, basé sur une chimie pérovskite plus performante. Lela stabilité à vie des cellules solaires à pérovskite doit également être prolongée , grâce à une combinaison de chimie, de conception de dispositifs, de revêtements protecteurs et de films barrières laminés. Mais le défi du processus d'impression semble être résolu, ouvrant la voie à une mise à l'échelle. La recherche sérieuse sur les cellules solaires à pérovskite n'a commencé que récemment, en 2012, c'est donc un autre exemple du rythme de l'innovation dans ce secteur vital.

Cellules solaires au silicium sont une technologie établie pour la production d'électricité à partir du soleil. Mais ilsdemandent beaucoup d'énergie à produire, sont rigides et peuvent être fragiles.

Cependant, une nouvelle classe de cellules solaires correspond à leurs performances. De plus, il peut désormais être imprimé à l'aide d'encres spéciales et enroulé de manière flexible autour de surfaces inégales.

Nous avons développé la première cellule solaire enroulable et entièrement imprimable au monde en pérovskite, un matériau qui estbeaucoup moins cher à produire que le silicium . Si nous pouvons également améliorer leur efficacité, cela indique la possibilité defabriquer des cellules solaires moins chères à une échelle beaucoup plus grande que jamais.

Les cellules solaires au silicium qui nous sont si reconnaissables ont une limitation importante. S'il y en avait assez pour couvrir nos besoins, nouspourrait manquer de matériaux pour les fabriquer d'ici 2050 . Donc, nous avons besoin de quelque chose de nouveau et beaucoup. La cellule solaire pérovskite émerge pour combler cette lacune.

Les panneaux solaires traditionnels en silicium sont rigides et fragiles / IMAGE : AlyoshinE/Shutterstock

La pérovskite est une structure cristalline composée de composants inorganiques et organiques,nommé d'après Lev Perovski , un expert minéral russe des 17e et 18e siècles.

Ples cellules solaires erovskite sont apparues pour la première fois dans les laboratoires de recherche en 2012et a attiré l'attention des chercheurs en raison de deux facteurs : leurcapacité à convertir la lumière du soleil en électricité, et lepossibilité de les créer à partir d'une combinaison d'encres.

Dans les laboratoires de recherche, en utilisant des méthodes de production hautement contrôlées dans des environnements où l'oxygène et l'eau sont complètement éliminés,les cellules solaires en pérovskite peuvent désormais correspondre à la production d'électricité des cellules solaires en silicium . C'est une réalisation remarquable.

Mais les cellules solaires à pérovskite bon marché qui se débarrassent du silicium ontpas encore fabriqué à l'échelle commerciale . Et si ces matériaux pouvaient être produits en utilisant les mêmes types de processus que nous utilisons pour imprimer des emballages ordinaires ?

Mes collègues et moi avons récemment démontré queun rouleau de film plastique peut être chargé dans une presse à imprimer, et des cellules solaires en pérovskite en état de marche émergent à l'autre extrémité . Cependant, ce n'est pas aussi simple que de verser de l'encre dans votre imprimante de bureau.

D'une part, les scientifiques ont découvert que pour atteindre une efficacité record,les couches semi-conductrices et pérovskites de cette nouvelle forme de cellule solaire doivent être extrêmement fines – entre 50 et 500 nanomètres(environ 500 fois plus petit qu'un cheveu humain).

De plus, les encres utilisées pour les imprimer avaient nécessité des solvants hautement toxiques. Mais après plusieurs années d'efforts,nous avons maintenant formulé des encres sans solvants toxiquesqui sont compatibles avec leprocédé de revêtement par matrice à fente - une technique industrielle établie utilisée à l'origine pour la production de films photographiques.

Le processus d'impression et de déploiement des cellules solaires en pérovskite / IMAGE : Université de Swansea, auteur fourni

La couche de pérovskite imprimée génère des électrons libres à partir de l'énergie fournie par la lumière qui la frappe. Le semi-conducteur empêche alors la pérovskite de réabsorber ces électrons avec unbonne efficacité de conversion de puissance(le rapport entre la puissance optique entrante et la puissance électrique sortante).

Un problème subsistait : comment extraire la charge électrique. Dans le passé, cela avait été réalisé en chauffant l'or sous vide jusqu'à ce qu'il s'évapore et en capturant la vapeur sur la cellule solaire pérovskite pour former des électrodes.

Nous avons adopté une approche différente,la création d'une encre au carbone compatible à la fois avec le matériau pérovskite et le procédé de revêtement à filière plate . Le résultat estde grands volumes de cellules solaires flexibles et enroulables qui sortent de la presse à imprimer prêtes à générer de l'énergie.

Des scientifiques de l'Université de Swansea ont mis au point une cellule solaire imprimable et enroulable / IMAGE : Université de Swansea, auteur fourni

Les cellules solaires en pérovskite ont démontré de hautes performances dans les laboratoires de recherche et se sont maintenant avérées capables de faire le saut vers la fabrication à grand volume. Mais le travail n'est pas encore tout à fait terminé.

L'efficacité de conversion de puissance de 10 % obtenue par ces cellules imprimées enroulables est utile et supérieure aux premiers panneaux de silicium commerciaux. Mais ilest en retard par rapport à l'efficacité de conversion typique de 17 % des panneaux solaires domestiques utilisés aujourd'hui.

Nous savons qu'il y a d'autres augmentations disponibles partirer parti de la chimie de la pérovskite plus performante.

Il y a un défi technique à surmonter pour que les panneaux solaires en pérovskite produits dans le commerce à grand volume puissent égaler la production d'énergie du silicium.D'autres améliorations de la stabilité à vie des cellules solaires en pérovskite sont également nécessaires– grâce à une combinaison de chimie, de conception de dispositifs et d'autres stratégies telles que des revêtements protecteurs et des films barrières laminés.

En bref, la recherche doit se concentrer sur la conversion de ce qui se passe dans les laboratoires en appareils du monde réel. Mais la possibilité de produire des centaines de milliers de mètres carrés de cellules solaires flexibles en pérovskite est maintenant un pas de plus.

***

David Beyonest agent de recherche principal auCentre d'innovation et de connaissances SPECIFIC, Université de Swansea

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article d'origine

Classé sous : Énergie, Innovations, Énergies renouvelables Sous le(s) tag(s) :cellules, chimie, coûts, efficacité, film, innovation, pérovskite, imprimé, silicium, slotdie, solaire, fin