Un pas de géant vers l’optimisation des cellules solaires du futur

Les cellules solaires à base de pérovskite représentent une nouvelle technologie prometteuse dans le domaine de l’énergie solaire. Les chercheurs travaillent activement au développement de ces cellules innovantes, qui pourraient offrir des performances supérieures aux panneaux solaires traditionnels en silicium, tout en réduisant les coûts de production.

Dans une étude publiée dans la revue Nature Energy, Michael McGehee, chercheur à l’Université du Colorado à Boulder, et ses collaborateurs internationaux ont dévoilé une méthode innovante pour fabriquer des cellules solaires à pérovskite. Cette avancée est cruciale pour la commercialisation de cette technologie, considérée par beaucoup comme la prochaine génération de cellules solaires.

Actuellement, la quasi-totalité des panneaux solaires sont fabriqués à partir de silicium, avec un rendement de 22%. Cela signifie que les panneaux en silicium ne peuvent convertir qu’environ un cinquième de l’énergie solaire en électricité, car ce matériau n’absorbe qu’une partie limitée des longueurs d’onde de la lumière du soleil. De plus, la production de silicium est coûteuse et énergivore.

La pérovskite, un matériau prometteur pour les cellules solaires

La pérovskite, un matériau semi-conducteur synthétique, a le potentiel de convertir une part nettement plus importante de l’énergie solaire que le silicium, et ce, à un coût de production inférieur. « Les pérovskites pourraient changer la donne », a déclaré Michael McGehee, professeur au Département d’ingénierie chimique et biologique et membre de l’Institut des énergies renouvelables et durables de l’Université du Colorado à Boulder.

Les scientifiques testent actuellement les cellules solaires à pérovskite en les empilant sur des cellules traditionnelles en silicium pour créer des cellules tandem. En combinant ces deux matériaux, chacun absorbant une partie différente du spectre solaire, il est possible d’augmenter le rendement des panneaux de plus de 50%.

Un défi majeur : le processus de dépôt de la pérovskite

L’un des principaux défis de la fabrication à grande échelle de cellules solaires à pérovskite réside dans le processus de dépôt du semi-conducteur sur les plaques de verre, qui constituent les éléments de base des panneaux. Actuellement, ce processus doit se dérouler dans une petite boîte remplie de gaz non réactif, comme l’azote, pour éviter que les pérovskites ne réagissent avec l’oxygène, ce qui diminuerait leurs performances.

« C’est acceptable au stade de la recherche. Mais lorsque vous commencez à déposer la pérovskite sur de grandes plaques de verre, il devient de plus en plus difficile de le faire dans une boîte remplie d’azote », a précisé Michael McGehee.

Une solution pour prévenir la réaction avec l’air

L’équipe de Michael McGehee a cherché un moyen d’empêcher cette réaction néfaste avec l’air. Ils ont découvert que l’ajout de formiate de diméthylammonium (DMAFo) à la solution de pérovskite avant le dépôt pouvait prévenir l’oxydation des matériaux. Cette découverte permet de réaliser le dépôt à l’air libre, en dehors de la petite boîte. Les expériences ont montré que les cellules à pérovskite fabriquées avec l’additif DMAFo peuvent atteindre un rendement de près de 25% à elles seules, ce qui est comparable au record actuel de 26% pour les cellules à pérovskite.

L’additif a également amélioré la stabilité des cellules. Les panneaux commerciaux en silicium peuvent généralement conserver au moins 80% de leurs performances après 25 ans, perdant environ 1% de rendement par an. En revanche, les cellules à pérovskite sont plus réactives et se dégradent plus rapidement à l’air. La nouvelle étude a montré que la cellule à pérovskite fabriquée avec le DMAFo conservait 90% de son rendement après que les chercheurs l’aient exposée à une lumière LED imitant la lumière du soleil pendant 700 heures. En comparaison, les cellules fabriquées à l’air sans DMAFo se sont rapidement dégradées après seulement 300 heures.

Vers la commercialisation des cellules solaires à pérovskite

Cette étude rapproche les cellules solaires à pérovskite de la commercialisation. Parallèlement, l’équipe de Michael McGehee développe activement des cellules tandem avec un rendement réel de plus de 30% et une durée de vie opérationnelle identique à celle des panneaux en silicium.

Michael McGehee dirige un partenariat académique-industriel américain appelé TEAMUP (Tandems for Efficient and Advanced Modules using Ultrastable Perovskites).

En collaboration avec des chercheurs de trois autres universités, deux entreprises et un laboratoire national, le consortium a reçu un financement de 9 millions de dollars du Département de l’énergie des États-Unis l’année dernière pour développer des pérovskites tandem stables, utilisables dans le monde réel et commercialement viables. L’objectif est de créer des cellules tandem plus efficaces que les panneaux conventionnels en silicium et tout aussi stables sur une période de 25 ans.

Avec une efficacité accrue et des coûts potentiellement inférieurs, ces cellules tandem pourraient avoir des applications plus larges que les panneaux en silicium existants, notamment une installation potentielle sur les toits des véhicules électriques. Elles pourraient ajouter 25 à 40 kms d’autonomie par jour à une voiture laissée au soleil, ce qui suffirait à couvrir les trajets quotidiens de nombreuses personnes. Les drones et les voiliers pourraient également être alimentés par de tels panneaux.

Après une décennie de recherche sur les pérovskites, les ingénieurs ont construit des cellules à pérovskite aussi efficaces que les cellules en silicium, inventées il y a 70 ans, a déclaré Michael McGehee. « Nous menons les pérovskites jusqu’à la ligne d’arrivée. Si les cellules tandem fonctionnent bien, elles ont certainement le potentiel de dominer le marché et de devenir la prochaine génération de cellules solaires », a-t-il conclu.

Légende illustration : Un technicien installe des panneaux solaires sur le toit du bâtiment qui abrite le Centre pour l’innovation et la créativité de l’université du Colorado à Boulder. (Crédit : Glenn Asakawa/Université du Colorado)

Article : « Inhibition of halide oxidation and deprotonation of organic cations with dimethylammonium formate for air-processed p–i–n perovskite solar cells » – DOI: 10.1038/s41560-024-01471-4