Une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l’UCL (UK) a mis au point de nouvelles cellules solaires durables capables de capter efficacement l’énergie de la lumière intérieure, ce qui signifie que des appareils tels que les claviers, les télécommandes, les alarmes et les capteurs pourraient bientôt être exempts de piles.
L’équipe a utilisé un matériau appelé pérovskite qui est de plus en plus utilisé dans les panneaux solaires extérieurs et qui, contrairement aux panneaux solaires traditionnels à base de silicium, peut être utilisé à l’intérieur, car sa composition peut être ajustée pour mieux absorber les longueurs d’onde spécifiques de la lumière intérieure. La pérovskite présente toutefois un inconvénient majeur : elle contient de minuscules défauts dans sa structure cristalline – appelés « pièges » – qui peuvent bloquer les électrons avant que leur énergie ne puisse être exploitée. Ces défauts interrompent non seulement le flux d’électricité, mais contribuent également à la dégradation du matériau au fil du temps.
Dans une étude publiée dans la revue Advanced Functional Materials, l’équipe décrit comment elle a utilisé une combinaison de produits chimiques pour réduire ces défauts, rendant potentiellement viables les panneaux solaires intérieurs en pérovskite. Selon l’équipe, les cellules photovoltaïques en pérovskite qu’elle a conçues sont environ six fois plus efficaces que les meilleures cellules solaires d’intérieur disponibles dans le commerce. Ils sont plus durables que les autres dispositifs en pérovskite et pourraient être utilisés pendant cinq ans ou plus, au lieu de quelques semaines ou mois seulement.
L’auteur principal, le Dr Mojtaba Abdi Jalebi (professeur associé à l’Institute for Materials Discovery de l’UCL), a déclaré : « Des milliards d’appareils nécessitant de petites quantités d’énergie sont tributaires du remplacement des piles, une pratique non viable. Ce nombre augmentera à mesure que l’internet des objets se développera.«
« Actuellement, les cellules solaires qui captent l’énergie de la lumière intérieure sont coûteuses et inefficaces. Nos cellules solaires d’intérieur en pérovskite, spécialement conçues, peuvent récolter beaucoup plus d’énergie que les cellules commerciales et sont plus durables que les autres prototypes. Elles ouvrent la voie à une électronique alimentée par la lumière ambiante déjà présente dans nos vies.«
« Nous sommes actuellement en discussion avec des partenaires industriels afin d’explorer des stratégies de mise à l’échelle et de déploiement commercial.«
« L’avantage des cellules solaires à pérovskite, en particulier, est qu’elles sont peu coûteuses – elles utilisent des matériaux abondants sur Terre et ne nécessitent qu’un traitement simple. Elles peuvent être imprimées de la même manière qu’un journal« .
L’un des problèmes des premières cellules solaires à pérovskite était la présence d’une forte densité de pièges dans le matériau et ses interfaces avec les couches collectrices de charge, qui perturbaient le flux de charge et entraînaient une perte d’énergie sous forme de chaleur.
L’équipe de recherche a introduit un produit chimique, le chlorure de rubidium, qui a favorisé une croissance plus homogène des cristaux de pérovskite avec un minimum de tensions, réduisant ainsi la densité de ces pièges.
Deux autres produits chimiques* ont été ajoutés pour stabiliser deux types d’ions (les ions iodure et bromure), les empêchant de migrer et de se regrouper en différentes phases, ce qui dégrade les performances de la cellule solaire au fil du temps, une fois encore en perturbant le flux de charge à travers le matériau.
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L’auteur principal, Siming Huang, étudiant en doctorat à l’Institute for Materials Discovery de l’UCL, a ajouté : « La cellule solaire présentant ces minuscules défauts est comme un gâteau coupé en morceaux. Grâce à une combinaison de stratégies, nous avons reconstitué ce gâteau, permettant à la charge de le traverser plus facilement. Les trois ingrédients que nous avons ajoutés ont eu un effet synergique, produisant un effet combiné supérieur à la somme des parties« .
L’équipe a constaté que ses cellules solaires convertissaient 37,6 % de la lumière intérieure (à 1 000 lux, soit l’équivalent d’un bureau bien éclairé) en électricité, ce qui constitue un record mondial pour ce type de cellule solaire optimisée pour la lumière intérieure, c’est-à-dire avec une bande interdite de 1,75 eV (électron-volt)**.
Les chercheurs ont également testé les cellules solaires pour voir si elles résistaient à la dégradation dans le temps.
Après plus de 100 jours, les cellules nouvellement conçues ont conservé 92 % de leurs performances, alors qu’un dispositif de contrôle (pérovskite dont les défauts n’avaient pas été réduits) n’a conservé que 76 % de ses performances initiales.
Lors d’un test rigoureux de 300 heures de lumière intense continue à 55 °C, les nouvelles cellules solaires ont conservé 76 % de leurs performances, tandis que le dispositif de contrôle n’en a conservé que 47 %.
L’équipe comprenait des chercheurs du Royaume-Uni, de Chine et de Suisse.
* Sels organiques d’ammonium : iodure de N,N-diméthyloctylammonium (DMOAI) et chlorure de phénéthylammonium (PEACl).
** La bande interdite représente l’énergie minimale requise pour exciter un électron afin qu’il rejoigne la charge électrique à travers la cellule solaire. Une bande interdite de 1,75 eV permet d’absorber les longueurs d’onde les plus énergétiques, principalement visibles, de la lumière émise par les sources intérieures.
Source : UCL
