Comment déployer des pérovskites photovoltaïques à grande échelle

Des scientifiques de l’EPFL ont découvert comment faire face à la perte de puissance et à la complexité de fabrication des cellules photovoltaïques à pérovskites déployées à grande échelle.

Les pérovskites sont des matériaux hybrides à base d’halogénures métalliques et de composés organiques. Elles intéressent beaucoup le domaine de l’énergie solaire en raison de leurs capacités en tant que collecteurs de lumière associées à un faible coût de fabrication, ce qui fait d’elles les principaux candidats pour supplanter leurs homologues en silicium sur le marché. Les pérovskites offrent un vaste potentiel dans de multiples applications dont les éclairages à LED, les lasers et les photodétecteurs.

L’un des obstacles à la commercialisation des cellules photovoltaïques à pérovskites est la diminution de leur rendement de conversion de puissance et de leur stabilité opérationnelle lorsqu’elles sont déployées à grande échelle. Cela s’explique par les défauts naturels de la structure moléculaire de la pérovskite, qui interfèrent avec le flux d’électrons. Il s’ensuit une «perte résistive», c’est-à-dire une perte de puissance due à la résistance. Par ailleurs, les processus nécessaires pour obtenir des films de pérovskite de haute qualité et de grande surface sont assez complexes.

Dans une récente étude publiée dans la revue Nature Nanotechnology, des scientifiques dirigés par Mohammad Nazeeruddin de l’EPFL ont découvert comment faire face aux problèmes de déploiement à grande échelle des pérovskites. Ils ont mis au point une méthode solvothermique simple permettant de produire des nanoparticules rhomboédriques de dioxyde de titane monocristallin qui peuvent être utilisées pour créer un film de pérovskite.

La nouvelle structure présente une quantité moindre de désaccords de réseau, faisant référence à la structure en échelle des nanoparticules de dioxyde de titane. Cela se traduit par un nombre plus faible de défauts, ce qui garantit un meilleur flux d’électrons tout au long du processus et une perte de puissance moindre.

Après avoir testé les nouvelles petites cellules photovoltaïques à base de nanoparticules, les scientifiques ont obtenu un rendement de conversion de puissance de 24,05% et un facteur de remplissage (une mesure de la puissance réelle disponible) de 84,7%. Les cellules conservent également environ 90% de leurs performances initiales après un fonctionnement continu de 1 400 heures.

Les scientifiques ont également fabriqué de grandes cellules qui ont permis d’obtenir un rendement de 22,72% avec une surface active de près de 24 cm2. Ce sont «des modules dont le rendement est le plus élevé avec la perte de rendement la plus faible en termes de déploiement à grande échelle», concluent les auteurs.

Auteur : Nik Papageorgiou

Autres contributeurs

North China Electric Power University
Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST)
Université du Luxembourg
Académie chinoise des sciences(CAS)
Université Jiaotong de Xi’an
Université du Hebei
Istituto CNR di Scienze e Tecnologie Chimiche «Giulio Natta» (CNR-SCITEC)
Université de Pérouse
Istituto Italiano di Tecnologia
Prince Mohammad Bin Fahd University
Université des sciences et technologies de Huazhong
Université de Wurzbourg
Université du Lac de l’Ouest
Université Huáqiáo
Laboratoire de chimie organométallique et médicinale de l’EPFL
CityU (Université municipale de Hong Kong)

Financement

Fonds Démonstrateurs Énergie Valais
Programme clé national de R&D de la Chine
Plan 111
Fondation nationale des sciences naturelles de Chine
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Fonds national suisse de la recherche scientifique (SNSF)
Fonds National de la Recherche du Luxembourg

Références

Yong Ding, Bin Ding, Hiroyuki Kanda, Onovbaramwen Jennifer Usiobo, Thibaut Gallet, Zhenhai Yang, Yan Liu, Hao Huang, Jiang Sheng, Cheng Liu, Yi Yang, Valentin Ianis Emmanuel Queloz, Xianfu Zhang, Jean-Nicolas Audinot, Alex Redinger, Wei Dang, Edoardo Mosconic, Wen Luo, Filippo De Angelis, Mingkui Wang, Patrick Dörflinger, Melina Armer, Valentin Schmid, Rui Wang, Keith G. Brooks, Jihuai Wu, Vladimir Dyakonov, Guanjun Yang, Songyuan Dai, Paul J. Dyson, Mohammad Khaja Nazeeruddin. Single-crystalline TiO2 Nanoparticles for Stable and Efficient Perovskite Modules. Nature Nanotechnology 21 April 2022. DOI: 10.1038/s41565-022-01108-1