Panasonic a atteint le plus haut rendement de conversion énergétique au monde de 16,09 % pour un module solaire à pérovskites [ zone d’ouverture 802 cm2 : 30 cm de long x 30 cm de large x 2 mm d’épaisseur ], en mettant au point une technologie légère utilisant un substrat en verre et une méthode de revêtement sur une grande surface à base d’impression à jet d’encre.
Ceci a été réalisé dans le cadre du projet de la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), qui travaille actuellement au « Développement de technologies pour réduire les coûts de production d’énergie pour la production d’énergie photovoltaïque haute performance et haute fiabilité », afin de promouvoir l’adoption généralisée de la production d’énergie solaire.
Cette méthode de revêtement par jet d’encre qui peut couvrir une grande surface, réduit les coûts de fabrication des modules. De plus, ce module léger, de grande surface et à haut rendement de conversion permet la production d’énergie solaire de manière hautement efficace dans des endroits dans lesquels les panneaux solaires conventionnels étaient difficiles à installer, tels que des façades.
Les cellules solaires en silicium cristallin, qui ont été largement utilisées dans le monde, ont trouvé des marchés au Japon dans des domaines comme le méga-solaire, les installations résidentielles, les usines et les installations publiques. Pour pénétrer davantage ces marchés et s’assurer de nouveaux marchés, il est primordial de fabriquer des modules solaires plus légers et plus grands.
Les cellules solaires à pérovskites (1) ont un avantage structurel puisque leur épaisseur, comprenant une couche de production d’énergie, n’est qu’un centième de celle des cellules solaires en silicium cristallin, ce qui fait que les modules à pérovskites peuvent peser moins lourd que les modules en silicium cristallin. Leur légèreté permet plusieurs styles de positionnement tels que l’installation sur des façades et des fenêtres en utilisant une électrode conductrice transparente, favorable à l’adoption généralisée de Net Zero Energy Buildings (ZEB (2)). Par ailleurs et étant donné que chaque couche peut être revêtue directement sur les substrats, elles peuvent être produite à moindre coût en comparaison de la technologie du procédé conventionnel. C’est pourquoi les cellules solaires à pérovskites attirent l’attention comme cellules solaires nouvelle génération.
Par contre et malgré le fait que la technologie à pérovskites ait atteint un rendement de conversion d’énergie de 25,2 % (3), comparable aux cellules solaires en silicium cristallin, dans les cellules de petite taille, il était très difficile de déposer les matériaux de manière uniforme sur toute l’étendue de la surface concernée à l’aide de la technologie conventionnelle. Le rendement de conversion d’énergie a donc eu tendance à diminuer.
Face à ce défi, la NEDO travaille au projet de « développement de technologies propres à réduire les coûts de génération d’énergie pour la génération d’énergie photovoltaïque haute performance et haute fiabilité » (4), afin de promouvoir l’adoption future de la production d’énergie solaire. Dans le cadre de ce projet, Panasonic a mis au point une technologie légère utilisant des substrats en verre et une méthode de revêtement sur grande surface à base de jet d’encre, comprenant la production et la syntonisation d’encre appliquée sur le substrat du module de cellules solaires à pérovskites. À travers ces technologies, Panasonic a atteint le plus haut rendement de conversion d’énergie du monde de 16,09 % (5) pour le module de cellules solaires à pérovskites (zone d’ouverture 802 cm 2 : 30 cm de long x 30 cm de large x 2 mm d’épaisseur).
En outre, l’adoption d’une méthode de revêtement de grande surface par jet d’encre dans le processus de fabrication permet également de réduire les coûts, et les caractéristiques de grande surface, de légèreté et de rendement de conversion élevé de ce module, permettent de produire de l’énergie solaire à haut rendement dans des endroits où les panneaux solaires classiques étaient difficiles à installer, comme les façades.
En améliorant les matériaux en couche de pérovskite, Panasonic cherche à obtenir un haut rendement comparable à celui des cellules solaires en silicium cristallin et à établir des technologies pour une application pratique sur de nouveaux marchés.
En se concentrant sur la méthode de revêtement par jet d’encre qui permet de revêtir la matière première de manière précise et uniforme, Panasonic a appliqué cette technologie à chaque couche de la cellule solaire, y compris la couche de pérovskites sur le substrat en verre, et a obtenu un rendement élevé de conversion d’énergie pour un module de grande surface.
Amélioration du composant du précurseur de la pérovskite pour le revêtement par jet d’encre
Parmi les groupes atomiques qui ont formé le cristal de pérovskite, la méthylamine présente un problème de stabilité thermique pendant le processus de chauffage lors de la fabrication des modules (la méthylamine est éliminée du cristal de pérovskite par la chaleur, ce qui a pour conséquence de détruire une certaine partie du cristal). En transformant une certaine partie de la méthylamine en formamidinium, césium, rubidium qui ont une taille de diamètre d’atome appropriée, ils ont révélé que cette méthode est efficace pour la stabilisation des cristaux et contribue à un rendement élevé de conversion d’énergie.
Contrôle de la concentration, de la quantité et de la vitesse de couchage de l’encre de pérovskite
Dans le processus de formation de couches minces avec la méthode de revêtement par jet d’encre, il y a la flexibilité pour le motif de revêtement, tandis que la formation de motifs par points du matériau et l’uniformité de la cristallisation sur la surface de chaque couche sont essentielles. Pour satisfaire à ces exigences, à la fois en réglant la concentration de l’encre pérovskite sur une certaine teneur et en contrôlant précisément la quantité et la vitesse de couchage pendant le processus d’impression, ils ont obtenu un haut rendement de conversion d’énergie du module de grande surface.
En optimisant ces technologies par un processus de revêtement dans chaque formation de couche, Panasonic a réussi à améliorer la croissance des cristaux et l’uniformité de l’épaisseur et de la couche cristalline. Ils ont ainsi atteint un rendement de conversion d’énergie de 16,09 % et ont fait un pas en avant vers une application pratique.
Plan pour l’avenir
En obtenant un processus à moindre coût et plus de légèreté pour un module à pérovskites de grande surface, NEDO et Panasonic Corporation espèrent créer un nouveau marché sur lequel les cellules solaires n’ont jamais été présentes ni adoptées. En fonction du développement de chacun des matériaux liés aux cellules solaires à pérovskites, NEDO et Panasonic visent à atteindre un rendement élevé comparable à celui des cellules solaires en silicium cristallin et renforcent leur effort pour réduire le coût de production à 15 yens/W.
Ces résultats ont été publiés lors de l’IPEROP20 (Conférence internationale Asie-Pacifique sur la pérovskite, le photovoltaïque organique et l’optoélectronique) organisée au Centre de conférences international de Tsukuba.
1 Cellules solaires à pérovskites Une cellule solaire dont la couche d’absorption de la lumière est composée de cristaux de pérovskite. 2 Net Zero Energy Building (ZEB) ZEB (Net Zero Energy Building) est le bâtiment non résidentiel qui, en mettant en place un système à haut rendement et de contrôle de la charge énergétique, maintient la qualité de l'environnement intérieur et réalise des économies d’énergie et de l’énergie renouvelable, ce qui au bout du compte vise à faire passer le bilan énergétique primaire annuel à zéro. 3 Rendement de conversion d’énergie de 25,2 % Le record mondial de rendement de conversion d’énergie de cellules de petite surface a été publié par le KRICT (Korea Research Institute of Chemical Technology) et par le MIT (Massachusetts Institute of Technology). Meilleure efficacité des cellules de recherche (Rev.11-05-2019) - NREL 4 Développement de technologies pour réduire les coûts de production d’énergie pour la production d’énergie photovoltaïque haute performance et haute fiabilité - Nom du projet : Développement de technologies pour réduire les coûts de production d’énergie pour la production d’énergie photovoltaïque haute performance et haute fiabilité/Recherche et développement de cellules solaires innovantes à nouvelle structure / Recherche et développement de produits innovants à faible coût de production - Durée du projet : 2015-2019 (année civile) 5 Rendement de conversion d’énergie de 16,09 % Valeur d’efficacité mesurée par la méthode MPPT (régulateur MPP : une méthode de mesure qui est plus près du rendement de conversion dans l’usage réel) du National Institute of Advanced Industrial Science and Technology.
