Pérovskite : un nouveau type de technologie solaire ouvre la voie à des cellules abondantes, bon marché et imprimables

Chargée de recherche senior au SPECIFIC Innovation and Knowledge Centre, Swansea University

David Beynon reçoit un financement de l'EPSRC et du gouvernement gallois. Il a précédemment travaillé sur des projets de recherche financés par le Fonds européen de développement régional, Tata Steel, Power Roll Ltd et European Union Horizon.

L'Université de Swansea fournit un financement en tant que membre de The Conversation UK.

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Les cellules solaires au silicium sont une technologie établie pour la production d'électricité à partir du soleil. Mais ils demandent 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 beaucoup moins cher à produire que le silicium. Si nous pouvons également améliorer leur efficacité, cela indique la possibilité de fabriquer des cellules solaires moins chères à une échelle beaucoup plus grande que jamais auparavant.

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

La pérovskite est une structure cristalline composée de composants inorganiques et organiques, du nom de Lev Perovski, un expert minéral russe des XVIIe et XVIIIe siècles.

Les cellules solaires à pérovskite sont apparues pour la première fois dans les laboratoires de recherche en 2012 et ont attiré l'attention des chercheurs en raison de deux facteurs : leur capacité à convertir la lumière du soleil en électricité et la possibilité 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 égaler la production d'électricité des cellules solaires en silicium. C'est une réalisation remarquable.

Mais les cellules solaires bon marché en pérovskite qui éliminent le silicium n'ont pas encore été fabriquées 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 qu'un rouleau de film plastique peut être chargé dans une presse à imprimer, et des cellules solaires en pérovskite fonctionnelles 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 des rendements record, les couches de semi-conducteur et de pérovskite de cette nouvelle forme de cellule solaire doivent être extrêmement fines - entre 50 et 500 nanomètres (environ 500 fois plus petites qu'un cheveu humain).

De plus, les encres utilisées pour les imprimer avaient nécessité des solvants hautement toxiques. Mais, après de nombreuses années d'efforts, nous avons maintenant formulé des encres sans solvants toxiques qui sont compatibles avec le procédé d'enduction à filière – une technique industrielle établie utilisée à l'origine pour la production de films photographiques.

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 un bon rendement 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, en créant une encre au carbone compatible à la fois avec le matériau pérovskite et le processus de revêtement par matrice à fente. Le résultat est de grands volumes de cellules solaires flexibles et enroulables qui sortent de la presse à imprimer prêtes à générer de l'énergie.

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 il est en retard par rapport à l'efficacité de conversion typique de 17 % des panneaux solaires domestiques utilisés aujourd'hui.

Nous savons que des augmentations supplémentaires sont possibles en tirant parti de la chimie des pérovskites plus performantes.

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.