L’avenir de l’énergie solaire avec des cellules solaires à pérovskites efficaces et sûres
Les cellules solaires à pérovskites (un cristal constitué de trois composants), ou PSC, pourraient donner au secteur de l’énergie photovoltaïque le coup de pouce dont il a besoin. Ces cellules solaires présentent l’avantage de pouvoir être rendues semi-transparentes, tout en affichant un rapport kWh sur puissance nominale beaucoup plus élevé que celui des cellules solaires classiques au silicium. Le projet GOTSolar, soutenu par l’UE, a mis au point de nouvelles formulations de pérovskite qui étaient stables et faciles à préparer tout en présentant des rendements photovoltaïques très élevés. Il s’agit d’une formulation dite «triple cation», qui est désormais une référence dans ce secteur. Le projet a également créé un procédé d’enrobage hermétique de verre assisté par laser, à une température d’environ 85 °C, qui est également une référence. Cette invention permet l’enrobage de cellules solaires à pérovskites très efficaces sans fuite de plomb, ce qui les rend plus stables et plus sûres que les alternatives. De nouveaux matériaux et procédés GOTSolar a utilisé un échafaudage d’oxyde métallique pour tenir la pérovskite, la mésostructure contribuant à la cristallisation de la pérovskite, ce qui donne un système de collecte de lumière extrêmement efficace. L’assemblage a été complété avec des matériaux de transport de trous à l’état solide (HTM) et une contre-électrode. «Lorsque vous avez un semi-conducteur qui absorbe la lumière, un électron de basse énergie passe à un niveau d’énergie plus élevé, ce qui laisse un “trou” dans le niveau de basse énergie», explique le professeur Adélio Mendes, coordinateur du projet. «L’électron excité peut circuler sur l’une ou l’autre des faces du semi-conducteur, mais il ne peut traverser l’interface que s’il existe une couche d’extraction électronique de l’autre côté, et dans ce cas il s’agit de dioxyde de titane. Le “trou” peut circuler sur n’importe quelle face mais ne peut traverser l’interface qu’avec un HTM.» Les interactions entre la couche d’extraction électronique, l’échafaudage d’oxyde métallique, l’absorbeur de pérovskite et la couche HTM ont été examinées et mesurées afin d’identifier les circonstances dans lesquelles la collecte d’électrons et de trous optimise favorablement l’ensemble du dispositif. Ce travail a permis à l’équipe de porter le rendement de conversion de l’énergie photovoltaïque jusqu’à 23,25 % pour le dispositif de laboratoire et de produire des dispositifs stables pendant 500 heures à 85 °C. Des absorbeurs de lumière sans plomb ont également été développés dans des cellules de laboratoire, ce qui a permis d’atteindre un rendement de conversion de puissance de 14 %. Un prototype de 16 cm2 enrobé dans du verre a été construit, pour démontrer le caractère évolutif de la production des premiers modules solaires à pérovskites. Il a affiché une efficacité énergétique de 12,5 % et une durée de vie potentielle de 20 ans. GOTSolar s’attend à ce que les premiers panneaux à PSC soient commercialisés d’ici 2020. Faire plus avec moins Une application essentielle de cette technologie concernera les bâtiments situés hors réseau. Pour en assurer la viabilité, le coût de possession devra néanmoins être plus faible que dans les cas des maisons traditionnelles. Il sera évidemment plus facile d’y parvenir dans les pays du sud, plus ensoleillés. «Pour les pays d’Europe du Nord et d’Europe centrale, les nouvelles cellules en tandem silicium-PSC vont revêtir une importance cruciale car elles devraient afficher un rendement de conversion d’énergie d’environ 30 %, produisant plus d’énergie à partir d’une zone photovoltaïque plus petite», déclare le professeur Mendes. C’est en aidant à rendre ces cellules photovoltaïques beaucoup moins chères grâce à une production locale que le projet GOTSolar a apporté sa plus grande contribution. L’équipe continue à explorer les propriétés fondamentales des PSC, à développer de nouvelles formulations et architectures, ainsi que de nouveaux matériaux HTM et des substrats de verre offrant une meilleure conductivité électrique et plus de transparence. Elle adopte également de nouvelles stratégies de fabrication tout en améliorant le procédé d’enrobage hermétique de verre, ce qui permettra d’obtenir des dispositifs à la fois moins chers et plus efficaces, robustes et esthétiques.
Mots‑clés
GOTSolar, énergie solaire, pérovskite, photovoltaïque, enrobage, oxyde métallique, électron, soleil, photovoltaïque
