Le Dr Longbin Qiu brandit une feuille de cellules solaires fabriquées à partir de matériaux flexibles. L'unité Matériaux énergétiques et sciences des surfaces a pour objectif de développer ces dispositifs pour fabriquer des rideaux solaires et des technologies solaires pouvant être facilement intégrés dans les habitations. Crédit : Institut des sciences et technologies d'Okinawa
Des scientifiques de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ont résolu une faiblesse fondamentale d'une technologie solaire prometteuse connue sous le nom de cellules solaires pérovskites, ou PSC. Leurs innovations semblent améliorer à la fois la stabilité et l'évolutivité des appareils d'un seul coup et pourraient être la clé de la commercialisation des PSC.
Les cellules solaires de troisième génération convertissent efficacement la lumière du soleil en électricité utilisable et coûtent moins d'énergie à fabriquer que les cellules au silicium à l'ancienne. les CSP, en particulier, ont attiré l'attention de la science et de l'industrie grâce à leur faible coût et leur haute efficacité. Bien que leurs performances soient prometteuses dans les tests de laboratoire, les appareils souffrent toujours d'une faible stabilité et ne peuvent pas être produits commercialement tant qu'ils ne sont pas conçus pour durer.
« Nous avons besoin de modules solaires qui peuvent durer au moins 5 à 10 ans. Pour l'instant, la durée de vie des PSC est beaucoup plus courte, " a déclaré le Dr Longbin Qiu, premier auteur de l'article et chercheur postdoctoral dans l'unité OIST Matériaux énergétiques et sciences des surfaces, dirigé par le professeur Yabing Qi.
L'étude, publié en ligne dans Matériaux fonctionnels avancés le 13 décembre 2018, étaye des preuves antérieures qu'un matériau couramment utilisé dans les CSP, appelé dioxyde de titane, dégrade les appareils et limite leur durée de vie. Les chercheurs ont remplacé ce matériau par du dioxyde d'étain, un conducteur plus fort sans ces propriétés dégradantes. Ils ont optimisé leur méthode d'application du dioxyde d'étain pour produire des produits stables, PSC efficaces et évolutifs.
Dans les expériences, les chercheurs ont découvert que les appareils à base de dioxyde d'étain avaient une durée de vie trois fois plus longue que les appareils PSC utilisant du dioxyde de titane. "Le dioxyde d'étain peut donner aux utilisateurs les performances dont ils ont besoin, " a déclaré Qiu.
Une conception améliorée
L'unité Matériaux énergétiques et sciences des surfaces a fabriqué de nouveaux modules de cellules solaires en pérovskite avec une stabilité et une efficacité optimisées. Un prototype est montré ici alimentant un petit ventilateur. Crédit : Institut des sciences et technologies d'Okinawa
Les PSC sont constitués de matériaux stratifiés, chacun avec une fonction spécifique. La "couche active, " fabriqué à partir de matériaux pérovskites, absorbe la lumière solaire entrante sous forme de particules appelées photons. Lorsqu'un photon frappe une cellule solaire, il génère des électrons chargés négativement et des trous chargés positivement dans la couche active. Les scientifiques contrôlent le flux de ces électrons et de ces trous en prenant en sandwich la couche active entre deux "matériaux de transport, " créant ainsi un champ électrique intégré.
Pour aider à diriger les électrons dans la bonne direction, de nombreux PSC comprennent une « couche de transport d'électrons ». La plupart des PSC utilisent du dioxyde de titane comme couche de transport d'électrons, mais lorsqu'il est exposé au soleil, le matériau réagit avec la pérovskite et dégrade finalement l'appareil. Le dioxyde d'étain est un substitut viable au dioxyde de titane, mais avant cette étude, il n'avait pas été intégré avec succès dans un dispositif à grande échelle.
En utilisant une technique courante dans l'industrie appelée dépôt par pulvérisation, les chercheurs ont appris à fabriquer une couche de transport d'électrons efficace à partir de dioxyde d'étain. Le dépôt par pulvérisation cathodique fonctionne en bombardant le matériau cible, ici le dioxyde d'étain, avec des particules chargées, le faisant pulvériser vers le haut sur une surface d'attente. En contrôlant précisément la puissance de la pulvérisation et la vitesse du dépôt, les chercheurs ont produit des couches lisses d'épaisseur uniforme sur une grande surface.
Leurs nouvelles cellules solaires ont atteint une efficacité de plus de 20 pour cent. Pour démontrer l'évolutivité de cette nouvelle méthode, les chercheurs ont ensuite fabriqué des modules solaires de 5 par 5 centimètres avec une surface désignée de 22,8 centimètres carrés, constatant que les appareils résultants ont montré plus de 12% d'efficacité. Cette recherche, qui a été soutenu par le programme de validation de principe du Centre de développement technologique et d'innovation de l'OIST, représente une étape cruciale vers le respect de la norme actuelle de l'industrie en matière d'efficacité PSC.
Passer au marché
Les chercheurs prévoient de continuer à optimiser leur conception de PSC dans le but de produire des modules solaires à grande échelle avec une efficacité améliorée. L'unité de recherche expérimente la flexibilité, dispositifs solaires transparents et vise à appliquer leur conception PSC optimisée dans les fenêtres solaires, rideaux, sacs à dos et unités de charge déployables.
« Nous voulons faire évoluer ces appareils jusqu'à une grande taille, et bien que leur efficacité soit déjà raisonnable, nous voulons pousser plus loin, " a déclaré le professeur Qi. " Nous sommes optimistes que dans les prochaines années, cette technologie sera viable pour la commercialisation."
