Des cellules solaires à pérovskite, un record, comblent l’écart entre la paillasse et le toit

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Les cellules solaires à pérovskite sont considérées depuis le début des années 2000 comme la prochaine grande avancée dans la transition vers les énergies renouvelables, réduisant les coûts tout en augmentant le volume de production. Il n’y a rien de gratuit, faire en sorte que le matériau pérovskite se comporte bien a été une entreprise délicate. Cependant, l’écart entre les laboratoires et les applications réelles s’est réduit, comme l’indique l’activité récente des chercheurs et des fabricants.

Relever la barre en matière d’efficacité des cellules solaires à pérovskite

Les pérovskites sont une classe de matériaux cristallins synthétiques dotés de bonnes propriétés optoélectriques. Leur structure est basée sur la pérovskite minérale naturelle. Ils sont relativement peu coûteux par rapport au silicium et aux autres matériaux de cellules solaires, ce qui explique leur attrait.

Malgré leur potentiel prometteur, les cellules solaires à pérovskite se sont heurtées à deux obstacles majeurs dès le départ. L’un des principaux problèmes était l’efficacité de la conversion solaire. Les cellules solaires à pérovskite de première génération ont commencé à apparaître en 2009 avec un rendement de conversion solaire de seulement 3,8 %, bien inférieur à l’efficacité typique des cellules solaires au silicium standard.

L’autre problème était une tendance à se dégrader dans les conditions ambiantes après seulement quelques minutes. Cela semblerait exclure les pérovskites du développement commercial, sauf que la science aime les défis.

Aux dernières nouvelles, le 4 mars, une équipe de recherche basée à l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en Suisse a rapporté le rendement de conversion le plus élevé pour un module solaire à pérovskite jamais certifié. Ils ont atteint une première marque certifiée à 23,3% et le module solaire s’est stabilisé à un rendement de conversion de 22,97%.

Pour ceux d’entre vous qui sont en déplacement, l’équipe de recherche décrit également comment elle a peaufiné sa formule de pérovskite pour inhiber la dégradation et améliorer la stabilité. Contrairement à la durée de vie limitée des cellules solaires à pérovskite de première génération, l’équipe de l’EPFL a rapporté que leur module solaire à pérovskite conservait 94,66 % de son efficacité initiale après une exposition continue à un soleil à température ambiante pendant 1 000 heures (les détails complets sont disponibles dans le journal Nature sous le titre, « Synergie dopant-additif améliore les modules solaires en pérovskite »).

« Notre approche est très prometteuse pour combler le fossé entre la paillasse et le toit et faire progresser la production et la commercialisation de systèmes photovoltaïques à base de pérovskite sur de grandes surfaces », a conclu l’équipe.

Des cellules solaires à pérovskite plus nombreuses et plus longues

Prolonger la durée de vie d’une cellule solaire à pérovskite peut également être un moyen d’atteindre une rentabilité, même si l’efficacité de la conversion solaire est loin d’être maximale. Une équipe de recherche basée au Brookhaven National Laboratory aux États-Unis, par exemple, a signalé que les cellules solaires à pérovskite pourraient atteindre une durée de vie de 30 ans avec un rendement de conversion solaire de 17,4 %.

La réduction des coûts de fabrication est une autre piste. Le 6 mai, l’Université de Californie à Santa Barbara a décrit des progrès significatifs dans ce domaine. « La production de cellules solaires à base de pérovskite présente également le potentiel d’une empreinte carbone plus faible que celle des cellules photovoltaïques au silicium, qui nécessitent des températures élevées et un environnement de salle blanche », a expliqué l’école. « Cela dit, la production de ces cellules implique un recuit à haute température et des étapes de post-traitement délicates, ce qui ralentit considérablement la fabrication et rend difficile leur incorporation dans les objets du quotidien. »

Les chercheurs de l’école ont mis au point une nouvelle « encre » pérovskite qui s’adapte à un processus de fabrication rationalisé, économe en énergie et à température ambiante. Leur nouvelle formule élimine les étapes de recuit thermique et de post-traitement, qui sont décrites comme les deux éléments les plus chronophages dans la production de cellules solaires à pérovskite.

« L’innovation de l’équipe a non seulement simplifié le processus de production, mais a également augmenté l’efficacité du matériau de moins de 20 % à 24,4 % », a rapporté l’UC-Santa Barbara. Même si la barre des 24,4% n’atteint pas la barre haute fixée par l’EPFL, selon l’école, elle est la première à dépasser le seuil de 20% pour les cellules solaires à pérovskite fabriquées à température ambiante.

Le facteur roll-to-roll

Si vous avez compris ce truc à propos de l’encre, c’est la clé de l’avenir vert et étincelant des cellules solaires à pérovskite à faible coût. Contrairement aux cellules solaires conventionnelles en silicium rigide, les cellules solaires en pérovskite peuvent être fabriquées dans une solution et pulvérisées, peintes ou imprimées sur différents types de surfaces, y compris des surfaces flexibles.

En particulier, les fans de cellules solaires à pérovskite s’intéressent à la technologie d’impression rouleau à rouleau pour une fabrication à haut volume et à débit rapide. Les arguments en faveur de l’impression perovksite roll-to-roll ont été résumés le 11 mai dans le journal Communications naturelles par Ershad Parvazian et Trystan Watson de l’Université de Swansea.

« Dans un système Roll-to-Roll, tant que vos matières premières sont continuellement complétées, la fabrication devrait se poursuivre indéfiniment », ont-ils noté. « Dans sa forme la plus simple, il offre le principe d’Ink-IN / Solar module-OUT. »

Ce n’est pas aussi simple qu’il y paraît. En plus d’énumérer les avantages de l’impression rouleau à rouleau, Parvazian et Trystan soulignent également les défis du banc au toit. « Contrairement aux conditions contrôlées du revêtement par rotation en laboratoire dans une boîte à gants ou sous une sorbonne, le revêtement R2R est exécuté à une échelle beaucoup plus grande en espace ouvert et nécessite une gestion méticuleuse des paramètres de revêtement », conseillent-ils.

« Les défis s’intensifient pendant les étapes de séchage et de recuit, où le maintien d’un équilibre délicat entre température, débit d’air et vitesse de ligne est crucial pour éviter les défauts », ajoutent-ils.

Les cellules solaires à pérovskite se rapprochent du toit

Malgré les défis, le ministère américain de l’Énergie fait partie de ceux qui soutiennent l’impression rouleau à rouleau.

En 2017, le ministère de l’Énergie a accordé une subvention de 2 millions de dollars à la startup new-yorkaise Energy Materials Corporation pour améliorer la durabilité des cellules solaires à pérovskite tout en déployant des imprimantes roll-to-roll à grande vitesse. Fait intéressant, la société a loué des imprimantes à Eastman Kodak, un nom légendaire dans la production de films à grand volume.

Apparemment, le ministère de l’Énergie a apprécié ce qu’il a vu, car il a décerné un autre prix à EMC en 2019.

« Ces imprimantes peuvent traiter 1 000 pieds de film par minute », a rapporté le ministère de l’Énergie en 2020. « EMC espère pouvoir enduire de pérovskite à 100 pieds par minute, une vitesse qui pourrait produire suffisamment de panneaux solaires pour générer 4 gigawatts d’électricité par an. »

« Pour rappel, l’ensemble des États-Unis a installé 2,5 gigawatts d’énergie solaire résidentielle en 2019 », ont-ils ajouté.

EMC semble avoir disparu des radars de l’actualité depuis lors, même si en 2022, l’entreprise a été sélectionnée pour un autre prix du ministère de l’Énergie. À l’époque, la proposition était encore en cours d’examen environnemental. En cas d’approbation, le prix soutiendrait un projet de fabrication pilote d’un kilowatt, visant à produire environ deux douzaines de « mini modules » de pérovskites mesurant entre 0,01 et 0,4 mètre carré, qui seraient testés dans des conditions réelles sur le campus du National Renewable Laboratory au Colorado. ou Sandia National Laboratories au Nouveau-Mexique.

CleanTechnica contacte EMC pour obtenir les dernières mises à jour. Nous sommes particulièrement intéressés par le résultat d’un accord, signé entre le leader du verre et des matériaux Corning et EMC en 2020, visant à « apporter des panneaux et des produits solaires photovoltaïques à base de pérovskite à faible coût et de haute performance au secteur de l’énergie ».

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Crédit photo : « Un module solaire pérovskite d’une surface active de 22,0 cm2 contenant des aniliniums fluorés pour la passivation interfaciale » (Cheng Liu, Northwestern University via EPFL).