L'énergie solaire a longtemps été considérée comme l'option la plus durable pour remplacer notre dépendance aux combustibles fossiles, mais les technologies de conversion de l'énergie solaire en électricité doivent être à la fois efficaces et peu coûteuses.

Des scientifiques de l'Unité des matériaux énergétiques et des sciences des surfaces de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) pensent avoir trouvé une formule gagnante dans une nouvelle méthode pour fabriquer des cellules solaires à haut rendement et à faible coût. Le professeur Yabing Qi et son équipe de l'OIST en collaboration avec le professeur Shengzhong Liu de l'Université normale du Shaanxi, Chine, développé les cellules en utilisant des matériaux et des composés qui imitent la structure cristalline de la pérovskite minérale naturelle. Ils décrivent leur technique dans une étude publiée dans la revue Communication Nature .

Dans ce que le professeur Qi appelle "le triangle d'or, « Les technologies de cellules solaires doivent remplir trois conditions pour être commercialisables :leur taux de conversion de la lumière solaire en électricité doit être élevé, ils doivent être peu coûteux à produire, et ils doivent avoir une longue durée de vie. Aujourd'hui, la plupart des cellules solaires commerciales sont fabriquées à partir de silicium cristallin, qui a un rendement relativement élevé d'environ 22%. Bien que le silicium, la matière première de ces cellules solaires, est abondant, sa transformation a tendance à être complexe et fait grimper les coûts de fabrication, rendre le produit fini cher.

Perovskite propose une solution plus abordable, dit le professeur Qi. La pérovskite a été utilisée pour la première fois pour fabriquer des cellules solaires en 2009 par l'équipe de recherche du professeur Tsutomu Miyasaka à l'Université Toin de Yokohama, Japon, et depuis lors, il a rapidement gagné en importance. « La recherche sur les cellules pérovskites est très prometteuse. En neuf ans seulement, le rendement de ces cellules est passé de 3,8 % à 23,3 %. D'autres technologies ont mis plus de 30 ans de recherche pour atteindre le même niveau, " explique le professeur Qi. La méthode de fabrication que lui et son équipe de recherche ont développée produit des cellules solaires en pérovskite avec une efficacité comparable aux cellules en silicium cristallin, mais c'est potentiellement beaucoup moins cher que de fabriquer des cellules solaires au silicium.

Pour fabriquer les nouvelles cellules, les chercheurs ont recouvert des substrats conducteurs transparents de films de pérovskite qui absorbent très efficacement la lumière du soleil. Ils ont utilisé une technique basée sur la réaction gaz-solide dans laquelle le substrat est d'abord recouvert d'une couche de triiodure d'hydrogène et de plomb incorporée avec une petite quantité d'ions chlore et de méthylamine gazeuse - leur permettant de fabriquer de manière reproductible de grands panneaux uniformes, chacun étant composé de plusieurs cellules solaires.

En développant la méthode, les scientifiques ont réalisé que le fait de rendre la couche de pérovskite d'une épaisseur de 1 micron augmentait considérablement la durée de vie de la cellule solaire. "Les cellules solaires sont presque inchangées après avoir fonctionné pendant 800 heures, " dit le Dr Zonghao Liu, chercheur postdoctoral dans l'unité de recherche du Pr Qi à l'OIST et premier auteur de l'étude. En outre, un revêtement plus épais a non seulement renforcé la stabilité des cellules solaires, mais a également facilité les processus de fabrication, réduisant ainsi ses coûts de production. "La couche absorbante plus épaisse assure une bonne reproductibilité de la fabrication des cellules solaires, ce qui est un avantage clé pour la fabrication de masse dans le cadre réaliste à l'échelle industrielle, " dit le Dr Liu.

Le grand défi auquel le professeur Qi et son équipe sont maintenant confrontés consiste à augmenter la taille de leur nouvelle cellule solaire, du prototype de 0,1 mm2 à de grands panneaux de taille commerciale pouvant mesurer plusieurs pieds de long. C'est là que l'industrie peut aider. "Il existe un grand écart entre les résultats en laboratoire et la réalité, et l'industrie n'est pas toujours prête à combler toute cette lacune à elle seule. Donc, les chercheurs doivent franchir une étape supplémentaire nécessaire au-delà de leurs laboratoires et rencontrer l'industrie à mi-chemin, " dit le Pr Qi.

Pour franchir ce pas, Le professeur Qi et son équipe ont reçu une généreuse subvention du Centre de développement technologique et d'innovation de l'OIST, dans le cadre de leur programme de validation de principe. Avec ce financement, l'équipe a construit un modèle fonctionnel de leurs nouveaux modules solaires en pérovskite constitués de plusieurs cellules solaires sur des substrats de 5 cm × 5 cm, avec une surface active de 12 cm2, bien plus grande que leur prototype expérimental mais plus petite que ce qui est requis à des fins commerciales. Bien que le processus de mise à l'échelle ait réduit l'efficacité des cellules de 20% à 15%, les chercheurs sont optimistes quant à leur capacité à améliorer leur façon de travailler dans les années à venir et à commercialiser avec succès leur utilisation.