Les cellules solaires à pérovskite entièrement inorganiques sont construites en plusieurs couches. La couche inférieure est en verre, qui fait plusieurs millimètres d'épaisseur. La deuxième couche est un matériau conducteur transparent appelé FTO. Vient ensuite une couche sensible aux électrons en oxyde de titane. La quatrième couche est la pérovskite photoactive. Finalement, la couche supérieure est en carbone. Crédit : Institut des sciences et technologies d'Okinawa
Les nouvelles cellules solaires à pérovskite entièrement inorganiques s'attaquent à trois défis clés de la technologie des cellules solaires :efficacité, stabilité, et le coût.
Exploiter l'énergie du soleil, qui émet une énergie extrêmement puissante depuis le centre du système solaire, est l'un des objectifs clés pour parvenir à un approvisionnement énergétique durable.
L'énergie lumineuse peut être convertie directement en électricité à l'aide d'appareils électriques appelés cellules solaires. À ce jour, la plupart des cellules solaires sont en silicium, un matériau qui absorbe très bien la lumière. Mais les panneaux de silicium sont chers à produire.
Les scientifiques ont travaillé sur une alternative, fabriqués à partir de structures pérovskites. Véritable pérovskite, un minéral trouvé dans la terre, est composé de calcium, le titane et l'oxygène dans un arrangement moléculaire spécifique. Les matériaux ayant cette même structure cristalline sont appelés structures pérovskites.
Les structures de pérovskite fonctionnent bien en tant que couche active de collecte de lumière d'une cellule solaire car elles absorbent efficacement la lumière mais sont beaucoup moins chères que le silicium. Ils peuvent également être intégrés dans des dispositifs utilisant des équipements relativement simples. Par exemple, ils peuvent être dissous dans un solvant et appliqués par pulvérisation directement sur le substrat.
Les cellules solaires à pérovskite n'ont pas encore été produites à une échelle commerciale. Actuellement, Les nouvelles cellules solaires à pérovskite de l'Unité des matériaux énergétiques et des sciences des surfaces de l'OIST sont suffisamment petites pour que le Dr Liu puisse les tenir dans la paume de sa main. Crédit : Institut des sciences et technologies d'Okinawa
Les matériaux fabriqués à partir de structures en pérovskite pourraient potentiellement révolutionner les dispositifs à cellules solaires, mais ils ont un grave inconvénient :ils sont souvent très instables, se détériore lors de l'exposition à la chaleur. Cela a entravé leur potentiel commercial.
L'Unité des matériaux énergétiques et des sciences des surfaces de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), dirigé par le professeur Yabing Qi, a développé des dispositifs utilisant un nouveau matériau pérovskite stable, efficace et relativement bon marché à produire, ouvrant la voie à leur utilisation dans les cellules solaires de demain. Leurs travaux ont été récemment publiés dans Matériaux énergétiques avancés . Les chercheurs postdoctoraux Dr Jia Liang et Dr Zonghao Liu ont apporté des contributions majeures à ce travail.
Ce matériau a plusieurs caractéristiques clés. D'abord, il est complètement inorganique - un changement important, car les composants organiques ne sont généralement pas thermostables et se dégradent à la chaleur. Étant donné que les cellules solaires peuvent devenir très chaudes au soleil, la stabilité thermique est cruciale. En remplaçant les parties organiques par des matériaux inorganiques, les chercheurs ont rendu les cellules solaires à pérovskite beaucoup plus stables.
"Les cellules solaires sont presque inchangées après une exposition à la lumière pendant 300 heures, " dit le Dr Zonghao Liu, un auteur sur le papier.
Dr Longbin Qiu (à gauche) et Dr Zonghao Liu (à droite), tous deux post-doctorants de l'unité Matériaux énergétiques et sciences des surfaces, contiennent des cellules solaires fabriquées à partir de leur nouveau matériau pérovskite. Crédit : Institut des sciences et technologies d'Okinawa
Les cellules solaires à pérovskite entièrement inorganiques ont tendance à avoir une absorption lumineuse plus faible que les hybrides organiques-inorganiques, toutefois. C'est là qu'intervient la deuxième caractéristique :les chercheurs de l'OIST ont dopé leurs nouvelles cellules au manganèse afin d'améliorer leurs performances. Le manganèse modifie la structure cristalline du matériau, augmentant sa capacité de récolte légère.
"Comme lorsque vous ajoutez du sel à un plat pour en changer la saveur, quand on ajoute du manganèse, il modifie les propriétés de la cellule solaire, " dit Liu.
Troisièmement, dans ces cellules solaires, les électrodes qui transportent le courant entre les cellules solaires et les fils externes sont en carbone, plutôt que de l'or habituel. De telles électrodes sont nettement moins chères et plus faciles à produire, en partie parce qu'ils peuvent être imprimés directement sur les cellules solaires. Fabrication d'électrodes en or, d'autre part, nécessite des températures élevées et un équipement spécialisé tel qu'une chambre à vide.
Image en microscopie électronique de cellules solaires à pérovskite, montrant les différentes couches. Crédit : Institut des sciences et technologies d'Okinawa
Il reste encore un certain nombre de défis à surmonter avant que les cellules solaires à pérovskite ne deviennent aussi viables commercialement que les cellules solaires au silicium. Par exemple, tandis que les cellules solaires à pérovskite peuvent durer un ou deux ans, Les cellules solaires au silicium peuvent fonctionner pendant 20 ans.
Qi et ses collègues continuent de travailler sur l'efficacité et la durabilité de ces nouvelles cellules, et développent également le procédé de leur fabrication à l'échelle commerciale. Compte tenu de la rapidité avec laquelle la technologie s'est développée depuis que la première cellule solaire à pérovskite a été signalée en 2009, l'avenir de ces nouvelles cellules s'annonce radieux.
