Les cellules solaires conventionnelles sont toujours constituées de silicium. Crédit :unsplash
La pérovskite semi-conductrice est considérée comme un nouvel espoir de ramener le prix de production des cellules solaires en dessous de celui du silicium utilisé jusqu'à présent. L'Empa développe de nouveaux procédés de fabrication pour rendre les cellules solaires à pérovskite non seulement moins chères, mais aussi plus rapides à produire et prêtes à l'emploi.
Depuis le développement de la première cellule solaire à pérovskite en 2009, son efficacité est désormais égale à celle d'une cellule silicium classique. Cependant, il avait encore quelques faiblesses au début; par exemple, en raison de sa structure et des matériaux utilisés, il est très sensible à l'humidité, oxygène, Chauffer, Lumière UV et stress mécanique. Cela rend la cellule moins durable. Michael Grätzel et Hongwei Han ont trouvé une solution à ce problème en 2014, lorsque les deux chercheurs de l'EPFL ont développé une cellule à charpente mésoporeuse d'oxydes et de carbone. Mais cette idée n'était pas encore commercialisable.
Au moins jusqu'à maintenant :Frank Nüesch, Chef du département Polymères fonctionnels de l'Empa, et son équipe ont travaillé intensément ces dernières années sur de nouveaux procédés de fabrication pour précisément ces cellules solaires afin de les produire non seulement plus rapidement mais aussi moins cher. À cette fin, les chercheurs ont collaboré avec Solaronix SA, une entreprise basée en Suisse romande, dans le cadre d'un projet de l'Office fédéral de l'énergie (OFEN). Ensemble, ils ont produit une cellule de pérovskite fonctionnelle à l'échelle du laboratoire avec une surface de 10x10cm.
Coupe transversale des différentes couches de la cellule solaire à pérovskite au microscope électronique à balayage :les couches individuelles sont ultrafines, et les matériaux poreux ont été "remplis" de pérovskite dans l'étape finale. Crédit :Empa
Slot-die au lieu de la sérigraphie
Pour la production de cette nouvelle cellule pérovskite, le processus dit à fente est utilisé. Ici, la couche de matériau est appliquée sur un substrat de verre puis structurée en éliminant l'excès de matériau avec un laser. "Avec le nouveau procédé de revêtement, nous pouvons non seulement enduire plus rapidement, mais aussi déterminer l'épaisseur des couches de manière plus flexible, " dit Nüesch. À l'avenir, le procédé slot-die va permettre d'enduire des nappes d'un mètre de longueur relativement facilement et rapidement. La vitesse d'enduction est alors également l'élément central d'une éventuelle industrialisation de la production de cellules pérovskites.
Un total de cinq couches de matériaux différents, y compris l'oxyde de titane, zircone et graphite, sont nécessaires pour une telle cellule. Alors que dans le procédé de sérigraphie utilisé jusqu'à présent, les couches doivent être séchées et frittées (c'est-à-dire compactées) individuellement, ce qui prend beaucoup de temps et d'énergie. "Avec ce nouveau procédé, nous pouvons « imprimer » sept fois plus rapidement qu'avec la méthode de sérigraphie précédente, " explique Nüesch. La cellule solaire à pérovskite obtient sa touche finale en appliquant l'absorbeur de pérovskite au moyen d'une impression à jet d'encre dans le "Coating Competence Center" de l'Empa - ce qu'on appelle l'infiltration. Ici, la pérovskite n'est plus appliquée sur le substrat en tant que couche solide , mais s'infiltre à travers toutes les couches poreuses de la cellule solaire jusqu'au fond.
La matrice à fente applique une couche de carbone sur le substrat de verre. Cela permet d'appliquer les cinq couches de la cellule solaire l'une après l'autre et de les sécher ensemble. Avec le procédé de sérigraphie conventionnel, chaque couche devait être séchée séparément pendant au moins une heure. Crédit :Empa
Une coopération réussie
En développant le nouveau processus, l'équipe de l'Empa a travaillé en étroite collaboration avec les experts de Solaronix. Ils sont à l'origine des « encres », des conducteurs nanométriques, semi-conducteurs et isolants - pour l'impression de l'individu, couches ultrafines de la cellule solaire. La difficulté pour les chercheurs de l'Empa a été de préparer cette encre de manière à ce qu'elle soit adaptée au procédé slot-die. Les différents réglages de l'unité de revêtement, tels que la vitesse de la fente-matrice, le débit et la distance entre la filière et le substrat, devait également être coordonnée afin d'obtenir un résultat optimal. Maintenant, ils ont réussi à faire exactement cela.
Un autre avantage des cellules solaires à pérovskite produites à l'aide de ce nouveau procédé est une durée de vie plus longue par rapport aux cellules à pérovskite précédentes. Dans une prochaine étape, des tests sur le terrain suivront :fin 2020, les cellules solaires à pérovskite seront montées sur le toit du bâtiment NEST sur le campus de l'Empa à Dübendorf, où ils devront faire leurs preuves au quotidien.
