Des chercheurs en énergie solaire de l'Oregon State University braquent leurs projecteurs scientifiques sur des matériaux à structure cristalline découverts il y a près de deux siècles.

Pas tous les matériaux avec la structure, connu sous le nom de pérovskites, sont des semi-conducteurs. Mais les pérovskites à base d'un métal et d'un halogène sont, et elles détiennent un énorme potentiel en tant que cellules photovoltaïques qui pourraient être beaucoup moins chères à fabriquer que les cellules à base de silicium qui appartiennent au marché depuis sa création dans les années 1950.

Assez de potentiel, les chercheurs disent, pour peut-être un jour se tailler une part significative de la part des combustibles fossiles dans le secteur de l'énergie.

John Labram de l'OSU College of Engineering est l'auteur correspondant de deux articles récents sur la stabilité de la pérovskite, dans Physique des communications et le Journal des lettres de chimie physique , et a également contribué à un article publié aujourd'hui dans Science .

L'étude en Science , dirigé par des chercheurs de l'Université d'Oxford, a révélé qu'un additif moléculaire, un sel à base de pipéridine, un composé organique, améliore considérablement la longévité des cellules solaires à pérovskite.

Les découvertes décrites dans les trois articles approfondissent la compréhension d'un semi-conducteur prometteur qui découle d'une découverte de longue date par un minéralogiste russe. Dans les montagnes de l'Oural en 1839, Gustav Rose est tombé sur un oxyde de calcium et de titane avec une structure cristalline intrigante et l'a nommé en l'honneur du noble russe Lev Perovski.

La pérovskite fait désormais référence à une gamme de matériaux qui partagent le réseau cristallin de l'original. L'intérêt pour eux a commencé à s'accélérer en 2009 après qu'un scientifique japonais, Tsutomu Miyasaka, découvert que certaines pérovskites sont des absorbeurs efficaces de lumière.

« En raison de leur faible coût, les cellules solaires à pérovskite ont le potentiel de saper les combustibles fossiles et de révolutionner le marché de l'énergie, " dit Labram. " Un aspect mal compris de cette nouvelle classe de matériaux, cependant, est leur stabilité sous un éclairage constant, un problème qui représente un obstacle à la commercialisation.

Au cours des deux dernières années, Le groupe de recherche de Labram à l'École de génie électrique et d'informatique a construit un appareil expérimental unique pour étudier les changements de conductance des matériaux solaires au fil du temps.

"En faisant équipe avec l'Université d'Oxford, nous avons démontré que l'instabilité induite par la lumière se produit sur plusieurs heures, même en l'absence de contact électrique, ", a-t-il déclaré. "Les résultats aident à clarifier des résultats similaires observés dans les cellules solaires et détiennent la clé pour améliorer la stabilité et la viabilité commerciale des cellules solaires à pérovskite."

L'efficacité des cellules solaires est définie par le pourcentage d'énergie provenant de la lumière du soleil frappant une cellule qui est convertie en énergie électrique utilisable.

Il y a sept décennies, Bell Labs a développé la première cellule solaire pratique. Il avait un modeste, selon les normes d'aujourd'hui, rendement de 6% et était coûteux à fabriquer, mais il a trouvé une niche en alimentant les satellites lancés pendant les premiers jours de la course à l'espace.

Heures supplémentaires, les coûts de fabrication ont diminué et les efficacités ont augmenté, même si la plupart des cellules n'ont pas beaucoup changé, elles sont toujours constituées de deux couches de silicium presque pur dopé avec un additif. Absorbant la lumière, ils utilisent l'énergie de celui-ci pour créer un courant électrique à travers la jonction entre eux.

En 2012, l'un des collaborateurs de Labram, Henry Snaith d'Oxford, a fait la découverte révolutionnaire que les pérovskites pourraient être utilisées comme composant principal dans les cellules solaires, plutôt qu'en tant que sensibilisateur. Cela a conduit à une tempête d'activités de recherche et à la publication de milliers d'articles scientifiques chaque année sur le sujet. Huit ans de recherches plus tard, les cellules pérovskites peuvent désormais fonctionner avec une efficacité de 25 %, ce qui les rend, au moins en labo, à égalité avec les cellules de silicium commerciales.

Les cellules de pérovskite peuvent être fabriquées à peu de frais à partir de produits chimiques et de métaux industriels couramment disponibles et peuvent être imprimées sur des films flexibles en plastique et produites en série. Cellules de silicium, inversement, sont rigides et fabriqués à partir de tranches minces de silicium presque pur dans un coût élevé, processus à haute température.

Un problème avec les pérovskites est leur tendance à être quelque peu instable lorsque les températures augmentent, et une autre est la vulnérabilité à l'humidité, une combinaison qui peut entraîner la décomposition des cellules. C'est un problème pour un produit qui doit durer deux ou trois décennies à l'air libre.

"En général, pour pouvoir vendre un panneau solaire aux États-Unis et en Europe, il faut une garantie de 25 ans, " A déclaré Labram. "Ce que cela signifie en réalité, c'est que la cellule solaire devrait montrer pas moins de 80% de ses performances d'origine après 25 ans. La technologie actuelle, silicium, c'est plutôt bien pour ça. Mais le silicium doit être produit cher à des températures supérieures à 2, 000 degrés Celsius dans des conditions contrôlées, pour former parfait, cristaux sans défaut, donc ils fonctionnent correctement."

Les pérovskites, quant à elles, sont très tolérantes aux défauts, dit Labram.

"Ils peuvent être dissous dans un solvant, puis imprimé à température proche de la pièce, " a-t-il dit. " Cela signifie qu'ils pourraient éventuellement être produits à une fraction du coût du silicium, et donc sapent les combustibles fossiles. Cependant, pour que cela se produise, ils doivent être certifiables avec une garantie de 25 ans. Cela nous oblige à comprendre et à améliorer la stabilité de ces matériaux."

Une voie vers le marché est une cellule tandem composée à la fois de silicium et de pérovskites qui pourrait transformer une plus grande partie du spectre de la lumière solaire en énergie. Des tests en laboratoire sur des cellules en tandem ont produit des rendements de 28 %, et les gains d'efficacité au milieu des années 30 semblent réalistes, dit Labram.

"Les cellules en tandem pourraient permettre aux producteurs de panneaux solaires d'offrir une performance au-delà de tout ce que le silicium seul pourrait atteindre, " a-t-il dit. " La double approche pourrait aider à éliminer la barrière aux pérovskites entrant sur le marché, sur le chemin des pérovskites agissant finalement comme des cellules autonomes."

Semi-transparent, les films pérovskites pourront aussi un jour être utilisés sur les vitres, ou en serres, convertir une partie de la lumière solaire entrante en électricité tout en laissant passer le reste.

« En matière de production d'énergie, le coût est le facteur le plus important, " a déclaré Labram. " Le silicium et les pérovskites montrent maintenant à peu près la même efficacité. À long terme, cependant, Les cellules solaires à pérovskite ont le potentiel d'être fabriquées à une fraction du coût des cellules solaires au silicium. Et tandis que l'histoire nous a montré que l'action politique sur le changement climatique est largement inefficace, si vous pouvez produire de l'électricité à partir de sources renouvelables à un coût inférieur aux combustibles fossiles, tout ce que vous avez à faire est de fabriquer le produit, alors le marché s'occupera du reste."