Des cellules solaires flexibles sans terres rares pour un avenir énergétique durable

La transition énergétique impose une réflexion profonde sur les technologies solaires actuelles, souvent limitées par leur rigidité et leurs coûts élevés. Une innovation technologique pourrait redéfinir l’accessibilité et l’efficacité des dispositifs photovoltaïques, en proposant une alternative flexible, économique et respectueuse des ressources naturelles. L’Université de Sheffield, en collaboration avec Power Roll Ltd, a développé un nouveau type de cellule solaire qui suscite un intérêt croissant dans le domaine des énergies renouvelables.

Des cellules solaires souples, exemptes de métaux terres rares, ont été mises au point grâce à une collaboration entre l’Université de Sheffield et l’entreprise britannique Power Roll Ltd. Ces dispositifs reposent sur l’utilisation d’un matériau semi-conducteur pérovskite, intégré dans des micro-rainures embossées sur un film plastique. Cette méthode se distingue des techniques traditionnelles, où des couches rigides sont superposées selon un ordre précis. Les rainures microscopiques permettent de créer une structure de contact arrière, simplifiant ainsi le processus de fabrication tout en augmentant potentiellement le rendement énergétique.

Leur conception légère et adaptable autorise leur déploiement sur des surfaces variées, y compris celles incapables de supporter le poids des panneaux solaires conventionnels. Des toits industriels fragiles aux infrastructures non standardisées, ces films souples s’adaptent sans contrainte physique notable. Leur coût prévisionnel modéré pourrait accélérer leur adoption, particulièrement dans les pays en développement.

Pour valider la structure et la composition de ces cellules solaires, une technique innovante a été employée : la microscopie à nanoprobe à rayons X durs. Réalisée au Diamond Light Source, une installation située dans l’Oxfordshire, cette analyse a permis d’obtenir des images extrêmement détaillées du matériau semi-conducteur. Les chercheurs ont pu identifier des défauts invisibles à l’œil nu, tels que des vides internes ou les frontières entre minuscules cristaux présents dans la pérovskite. Une première dans ce domaine spécifique, cette approche a fourni des informations cruciales pour optimiser la stabilité et les performances des dispositifs.

Dr Jessica Walker, scientifique de la ligne de faisceau I14 au Diamond Light Source Ltd., a souligné : “Les techniques et la résolution offertes par I14 sont idéalement adaptées pour répondre aux questions scientifiques persistantes autour des matériaux solaires à base de pérovskite.” Elle a ajouté que cette technologie représente une application tangible, dotée d’un fort potentiel d’impact.

Le partenariat entre l’Université de Sheffield et Power Roll illustre comment la synergie entre recherche fondamentale et innovation industrielle peut aboutir à des solutions concrètes. Ce partenariat, initié il y a plus d’une décennie, associe l’expertise académique en science des matériaux à une ambition industrielle claire : produire des dispositifs solaires accessibles et durables. Selon le professeur David Lidzey, co-auteur de l’étude, cette technologie pourrait constituer un changement radical pour les pays à revenu faible ou intermédiaire : “L’un des principaux avantages de ces films flexibles réside dans leur capacité à être collés sur n’importe quelle surface.”

Les efforts conjoints ont également permis de réduire les coûts de fabrication tout en améliorant l’efficacité énergétique des dispositifs. Dr Nathan Hill, chercheur principal chez Power Roll, a exprimé son enthousiasme : “Cette collaboration démontre le potentiel de combiner recherche de pointe et innovation industrielle pour fournir des solutions transformatrices dans le domaine des énergies renouvelables.”

Alors que la génération solaire à base de pérovskite demeure un champ de recherche émergent, les progrès réalisés jusqu’à présent ont considérablement accéléré la compréhension scientifique et le développement des produits. La prochaine phase consistera à approfondir l’utilisation de la microscopie à rayons X pour caractériser davantage ces matériaux. De nouvelles expérimentations sont prévues cet été au Diamond Light Source, afin d’explorer des aspects clés du fonctionnement des dispositifs, notamment leur stabilité opérationnelle.

Cette technologie, bien qu’encore en phase de perfectionnement, pourrait jouer un rôle significatif dans la transition vers des énergies propres et abordables. Son caractère scalable et durable la rend particulièrement attrayante pour répondre aux besoins énergétiques mondiaux.

La pérovskite

Les cristaux de pérovskite ont attiré l’attention en raison de leur potentiel exceptionnel dans le domaine des nanotechnologies, en particulier pour le développement de cellules solaires nanostructurées. Le matériau pérovskite est souvent un mélange de substances organiques et inorganiques, comme les halogénures de plomb ou d’étain, qui sont généralement peu coûteux et faciles à fabriquer. Ils possèdent de grandes propriétés, telles que l’absorption d’une large gamme de lumière, la séparation rapide des charges positives et négatives et la possibilité pour les charges séparées de se déplacer sur de plus longues distances à l’intérieur du matériau sans se recombiner, ce qui améliore l’efficacité de la cellule solaire.  Ces matériaux pourraient considérablement améliorer l’efficacité et l’accessibilité de l’énergie solaire, ce qui en fait un domaine de recherche prometteur susceptible de révolutionner l’utilisation de l’énergie solaire. La production d’énergie solaire à partir de pérovskites est un domaine émergent et continu, mais la recherche universitaire fait rapidement progresser le développement des produits et la compréhension scientifique.

Légende illustration : La nouvelle conception de la cellule solaire présente une surface gaufrée avec des micro-rainures.

Article : ‘Back-contact Perovskite Solar Cell Modules Fabricated via Roll-to-Roll Slot-die Coating: Scale-up Towards Manufacture’ / ( 10.1021/acsaem.4c02734 ) – University of Sheffield – Publication dans la revue ACS Applied Energy Materials