Des cellules solaires quasi invisibles capables de transformer les fenêtres en générateurs d’énergie

Imaginez une voiture dont les vitres et le toit ouvrant peuvent recharger la batterie lorsqu’elle est garée au soleil, ou une paire de lunettes intelligentes dont les lentilles captent la lumière pour alimenter l’électronique intégrée.

De telles applications pourraient devenir plus réalisables avec un nouveau type de cellule solaire transparente ultrafine développé par des scientifiques de la Nanyang Technological University, Singapour (NTU Singapour).

Dirigés par le Professeur associé Annalisa Bruno, les chercheurs de la NTU ont créé des cellules solaires en pérovskite environ 10 000 fois plus fines qu’un cheveu humain et environ 50 fois plus fines que les cellules solaires classiques en pérovskite. Malgré leur finesse, les dispositifs ont atteint certains des rendements de conversion de puissance les plus élevés jamais rapportés pour des cellules solaires ultrafines en pérovskite.

Publiés récemment dans la revue scientifique ACS Energy Letters, leurs résultats pourraient ouvrir la voie à des cellules solaires intégrables dans les bâtiments, les véhicules et les appareils portables sans modifier significativement leur apparence.

Grâce au caractère semi-transparent et neutre en couleur des nouvelles cellules solaires, elles pourraient potentiellement être incorporées dans les fenêtres et les façades sans altérer l’aspect d’un bâtiment.

« Le cadre bâti représente environ 40 % de la consommation énergétique mondiale, donc les technologies qui transforment de manière transparente les surfaces des bâtiments en générateurs d’énergie gagnent en urgence », a déclaré le professeur Bruno, qui est de la School of Physical and Mathematical Sciences et de la School of Materials Science and Engineering de la NTU.

« Nos cellules solaires en pérovskite offrent des avantages distincts car elles peuvent être fabriquées à l’aide de procédés simples à des températures relativement basses. Elles peuvent également être ajustées pour absorber des longueurs d’onde spécifiques tout en restant transparentes, et pourraient potentiellement être étendues sur de grandes surfaces, réduisant leur empreinte carbone », a ajouté le professeur Bruno, qui est également Cluster Director, Renewables & Low-Carbon Solutions and Energy Storage, Energy Research Institute @ NTU (ERI@N).

Contrairement aux cellules solaires classiques en silicium, ces dispositifs à base de pérovskite sont capables de produire de l’électricité même sous lumière indirecte et en conditions de lumière diffuse. Cela les rend particulièrement adaptés à l’environnement urbain de Singapour, où les surfaces verticales des bâtiments et la couverture nuageuse fréquente limitent souvent l’exposition directe au soleil.

Par exemple, si la technologie était étendue tout en maintenant des performances similaires, les grandes façades vitrées pourraient être transformées en surfaces actives pour la production d’énergie solaire.

Les estimations préliminaires suggèrent qu’un déploiement sur un grand bâtiment à façade vitrée, comme une tour de bureaux à Raffles Place ou Marina Bay, pourrait théoriquement générer plusieurs centaines de mégawattheures d’électricité par an.

Selon la surface vitrée utilisable et l’orientation du bâtiment, ce niveau de production d’énergie équivaudrait à la consommation électrique annuelle d’environ 100 appartements HDB de quatre pièces.

Fabrication de cellules solaires quasi invisibles

Les cellules solaires en pérovskite sont composées de plusieurs couches, dont une couche semi-conductrice qui absorbe la lumière solaire et la convertit en électricité.

Pour fabriquer les cellules ultrafines, l’équipe de la NTU a utilisé une méthode compatible avec l’industrie, connue sous le nom d’évaporation thermique. Dans ce procédé, les matériaux sources sont chauffés dans une chambre à vide jusqu’à ce qu’ils s’évaporent. La vapeur se dépose ensuite sur une surface, où elle forme un film mince.

Cette méthode permet de déposer des couches de pérovskite très fines et uniformes sur de grandes surfaces. Elle évite également l’utilisation de solvants toxiques et contribue à réduire les défauts dans les cellules solaires, améliorant leur capacité à convertir la lumière en électricité.

En ajustant le procédé, les chercheurs ont pu contrôler l’épaisseur de la couche de pérovskite et créer des dispositifs opaques et semi-transparents.

L’équipe pense qu’il s’agit de la première fois que des cellules solaires ultrafines en pérovskite sont fabriquées entièrement à l’aide de procédés sous vide. Cela pourrait rendre la technologie plus adaptée à la production industrielle à grande échelle à l’avenir. Grâce à cette technique, les chercheurs ont produit des couches absorbantes ultrafines en pérovskite jusqu’à 10 nanomètres tout en conservant des performances utiles pour les cellules solaires.

Dans les dispositifs opaques, les cellules ont atteint des rendements de conversion de puissance d’environ 7 %, 11 % et 12 % pour des couches de pérovskite mesurant respectivement 10, 30 et 60 nanomètres. Une cellule semi-transparente avec une couche de pérovskite de 60 nanomètres d’épaisseur a laissé passer environ 41 % de la lumière visible, tout en convertissant la lumière solaire en électricité avec un rendement de 7,6 %.

Les chercheurs ont indiqué qu’il s’agit parmi les meilleurs résultats rapportés pour des cellules solaires semi-transparentes en pérovskite fabriquées avec des matériaux similaires.

Cela permettra à la lumière du jour de passer tout en produisant une quantité utile d’électricité, ce qui est important pour des applications telles que les fenêtres solaires, les façades vitrées et les surfaces de bâtiments teintées.

Premier auteur de l’article, le Dr Luke White, ancien étudiant en doctorat à l’Energy Research Institute @ NTU, à la School of Physical and Mathematical Sciences et à la School of Materials Science and Engineering, a déclaré : « En contrôlant précisément l’évaporation thermique, nous sommes capables d’ajuster la transparence des cellules solaires. Cela ouvre de nouvelles possibilités pour l’architecture durable, comme des fenêtres teintées qui produisent de l’électricité. »

Donnant un avis indépendant, le professeur Sam Stranks, professeur de matériaux énergétiques et d’optoélectronique, département de génie chimique et de biotechnologie, Université de Cambridge, a déclaré : « Cette approche offre un haut niveau de contrôle sur l’épaisseur et l’uniformité du film, ce qui sera nécessaire si les cellules solaires semi-transparentes doivent évoluer vers des applications de plus grande surface. »

« Les cellules solaires semi-transparentes en pérovskite sont une voie passionnante pour récolter l’énergie à partir de surfaces difficiles à utiliser avec les panneaux en silicium classiques, comme les fenêtres, les façades et l’électronique légère. Les résultats présentés ici montrent un équilibre prometteur entre transparence et production d’énergie dans des dispositifs très minces, tandis que les prochains tests critiques seront la stabilité à long terme, la durabilité et les performances sur de plus grandes surfaces », a-t-il ajouté.

Alimenter des villes durables

Le professeur Bruno est un pionnier dans le domaine des cellules solaires en pérovskite. Ses travaux antérieurs sur les cellules solaires en pérovskite par évaporation thermique ont été étendus, faisant progresser le domaine des cellules solaires en pérovskite et ouvrant la voie à leur adoption par l’industrie.

Ses innovations sont soutenues par l’initiative NTU Innovation and Entrepreneurship, qui aide les équipes de recherche à accélérer et à traduire des idées prometteuses des laboratoires vers la commercialisation.

Un brevet pour le développement des films ultrafins de pérovskite dans une structure novatrice a été déposé via NTUitive, la société d’innovation et d’entreprise de l’Université. Les chercheurs sont maintenant en pourparlers avec des entreprises pour valider et standardiser le procédé d’évaporation thermique utilisé dans cette étude. Ils travailleront également à améliorer la stabilité à long terme, la durabilité et les performances sur de grandes surfaces des cellules solaires en pérovskite avant leur déploiement commercial.

Alors que les villes deviennent plus denses et que la demande d’électricité augmente, les bâtiments sont de plus en plus considérés non seulement comme des consommateurs d’énergie, mais aussi comme des sources potentielles d’énergie propre. Les panneaux solaires sont déjà largement utilisés sur les toits. Mais les surfaces verticales des bâtiments, y compris les fenêtres et les façades vitrées, restent largement inexploitées.

Leur percée marque une étape importante vers des cellules solaires transparentes pouvant être intégrées dans les surfaces du quotidien, des fenêtres des bâtiments aux véhicules et à l’électronique portable, aidant les villes à produire plus d’énergie propre sans nécessiter de terrains supplémentaires.

Article : Ultrathin Fully Vacuum-Processed Perovskite Solar Cells with Absorbers Down to 10 nm – Journal : ACS Energy Letters – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : NTU