Une alternative non toxique pour les cellules solaires de nouvelle génération

Une équipe de chercheurs de l’Université de Cambridge et des États-Unis a démontré comment une alternative non toxique au plomb pourrait constituer la base des cellules solaires de prochaine génération.

Elle a utilisé à la fois des méthodes théoriques et expérimentales pour montrer comment le bismuth – un élément « vert » qui se trouve dans le tableau périodique pourrait être utilisé dans la fabrication de cellules solaires à bas coûts.

Les résultats rapportés dans la revue ‘Advanced Materials’, suggèrent que les cellules solaires incorporant du bismuth peuvent reproduire les mêmes propriétés exceptionnelles des cellules solaires à base de plomb, mais sans les problèmes de toxicité. Des tests ultérieurs effectués par un autre groupe de recherches ont montré que les cellules à base de bismuth peuvent convertir la lumière en énergie à des rendements allant jusqu’à 22%, ce qui est comparable aux cellules solaires les plus avancées actuellement sur le marché.

La plupart des cellules solaires que l’on voit couvrir les champs et les toits sont en silicium. Bien que le silicium soit très efficace pour convertir la lumière en énergie, il possède une très faible « tolérance aux défauts », ce qui signifie que le silicium doit avoir des niveaux de pureté très élevés pour lui permettre de produire beaucoup d’énergie.

Au cours des dernières années, les chercheurs ont recherché des matériaux capables de fonctionner à des niveaux similaires ou supérieurs au silicium, mais qui n’avaient pas besoin d’un niveau de pureté élevée, ce qui les rends moins coûteux à produire. Le plus prometteur de ces nouveaux matériaux semble annoncer une révolution dans le domaine de l’énergie solaire.

Le perovskite à halogénure de plomb

En plus d’être peu coûteux et faciles à produire, les cellules solaires en perovskite ont, en l’espace de quelques années, réussit à générer presque autant d’énergie que le silicium. Cependant, en dépit de leur énorme potentiel, elles demeurent controversées au sein de la communauté scientifique, puisque le plomb fait partie intégrante de leur structure chimique. Le fait de savoir si le plomb contenu dans les cellules solaires en perovskite représente un risque tangible pour les humains, les animaux et l’environnement fait débat. En attendant, des scientifiques recherchent des matériaux non toxiques qui pourraient remplacer le plomb dans les cellules solaires en perovskite sans affecter négativement leurs performances.

« Nous voulions savoir pourquoi les défauts ne semblaient pas affecter les performances des cellules solaires en perovskite à halogénure de plomb autant qu’elles le seraient dans d’autres matériaux », a déclaré le Dr Robert Hoye du Laboratoire Cavendish de Cambridge et du Département des sciences et de la métallurgie des matériaux, auteur principal de l’article. « Si nous pouvons déterminer leurs spécificités, alors peut-être que nous pourrons répliquer leurs propriétés en utilisant des matériaux non toxiques« .

Comme le plomb, c’est un métal lourd, mais il n’est pas toxique

En collaboration avec des collègues du MIT, du National Renewable Energy Laboratory et du Colorado School of Mines aux États-Unis, les chercheurs de Cambridge ont montré que le bismuth, qui se trouve dans le tableau périodique (83 Bi), pourrait être une alternative non toxique au plomb pour une utilisation dans les cellules solaires de la prochaine génération. Le bismuth, connu sous le nom d’ « élément vert » est largement utilisé dans les produits cosmétiques, les produits de soins personnels et les médicaments.

Ils ont constaté que l’oxyiodure de bismuth est aussi tolérant aux défauts que les perovskites aux halogénures de plomb. L’oxyiodure de bismuth est également stable dans l’air pendant au moins 197 jours, ce qui représente une amélioration significative par rapport à certains composés de perovskite à l’halogénure de plomb. En mettant en sandwich l’absorbeur de lumière d’oxyiodure de bismuth entre deux électrodes d’oxyde, ils ont pu démontrer une performance record, l’appareil convertissant 80% de lumière en charge électrique.

Les dispositifs basés sur le bismuth peuvent être fabriqués en utilisant des techniques industrielles communes, ce qui suggère qu’ils peuvent être produits à grande échelle et à faible coût.

« L’oxyiodure de bismuth a tous les attributs de propriété physique pour de nouveaux absorbants de lumière efficaces« , a déclaré le co-auteur, le professeur Judith Driscoll, du Département des sciences des matériaux et de la métallurgie. « J’ai d’abord pensé à ce composé il y a environ cinq ans, mais il a fallu les compétences expérimentales et théoriques hautement spécialisées d’une grande équipe pour que nous prouvions que ce matériel possédait un réel potentiel pratique« .

« Ce travail montre que les théories antérieures sur l’oxyiodure de bismuth n’étaient pas fausses, et ces composés ont le potentiel de produire des cellules solaires performantes« , a précisé Robert Hoye.

« Auparavant, la communauté mondiale scentifique sur les cellules solaires a cherché des matériaux non toxiques qui répliquaient la tolérance des défauts des perovskites, mais sans beaucoup de succès en termes de performance photovoltaïque« , a ajouté le Dr David Scanlon, théoricien de l’UCL. « Lorsque j’ai vu ces travaux, mon équipe a calculé en fonction des propriétés optiques que l’oxyiodure de bismuth avait une limite théorique de 22% d’efficacité, ce qui est comparable au silicium et aux meilleures cellules solaires en perovskite. Nous pourrions obtenir beaucoup plus de ce matériel en développant les travaux de cette équipe. »

CRÉDIT : Steve Penney, Université de Cambridge