Cellule solaire à Pérovskite

Qu’est-ce qu’une pérovskite?

Une pérovskite est un matériau qui a la même structure cristalline que l’oxyde minéral de calcium et de titane, le premier cristal de pérovskite découvert. Généralement, les composés de pérovskite ont une formule chimique ABX3, où « A » et « B » représentent des cations et X est un anion qui se lie aux deux. Un grand nombre d’éléments différents peuvent être combinés pour former des structures pérovskites. En utilisant cette flexibilité de composition, les scientifiques peuvent concevoir des cristaux de pérovskite présentant une grande variété de caractéristiques physiques, optiques et électriques. Les cristaux de pérovskite se trouvent aujourd’hui dans les machines à ultrasons, les puces de mémoire et maintenant les cellules solaires.

Applications d’énergie propre des pérovskites

Toutes les cellules solaires photovoltaïques reposent sur des semi—conducteurs — des matériaux à mi-chemin entre les isolants électriques tels que le verre et les conducteurs métalliques tels que le cuivre – pour transformer l’énergie de la lumière en électricité. La lumière du soleil excite les électrons dans le matériau semi-conducteur, qui s’écoulent dans des électrodes conductrices et produisent un courant électrique.

Le silicium est le matériau semi-conducteur principal utilisé dans les cellules solaires depuis les années 1950, car ses propriétés semi-conductrices s’alignent bien avec le spectre des rayons du soleil et il est relativement abondant et stable. Cependant, les gros cristaux de silicium utilisés dans les panneaux solaires conventionnels nécessitent un processus de fabrication coûteux en plusieurs étapes qui utilise beaucoup d’énergie. À la recherche d’une alternative, les scientifiques ont exploité l’accordabilité des pérovskites pour créer des semi-conducteurs aux propriétés similaires au silicium. Les cellules solaires à pérovskite peuvent être fabriquées à l’aide de techniques de dépôt additives simples, telles que l’impression, pour une fraction du coût et de l’énergie. En raison de la flexibilité de composition des pérovskites, ils peuvent également être réglés pour correspondre idéalement au spectre du soleil.

En 2012, les chercheurs ont découvert pour la première fois comment fabriquer une cellule solaire pérovskite stable à couche mince avec une efficacité de conversion photon-électron de la lumière supérieure à 10%, en utilisant des pérovskites à halogénure de plomb comme couche absorbant la lumière. Depuis lors, l’efficacité de conversion de la lumière du soleil en énergie électrique des cellules solaires à pérovskite a explosé, le record de laboratoire s’établissant à 25,2%. Les chercheurs combinent également des cellules solaires à pérovskite avec des cellules solaires à silicium conventionnelles – l’efficacité record de ces cellules tandem « pérovskite sur silicium » est actuellement de 29,1% (dépassant le record de 27% pour les cellules à silicium conventionnelles) et augmente rapidement. Avec cette augmentation rapide de l’efficacité des cellules, les cellules solaires à pérovskite et les cellules solaires en tandem à pérovskite pourraient bientôt devenir des alternatives bon marché et très efficaces aux cellules solaires au silicium conventionnelles.

Quels sont les objectifs actuels de la recherche?

Alors que des dizaines d’entreprises du monde entier commercialisent des cellules solaires à pérovskite, y compris de la pérovskite sur des tandems de silicium, il reste encore des défis scientifiques et techniques fondamentaux à relever qui peuvent améliorer leurs performances, leur fiabilité et leur fabricabilité.

Certains chercheurs de la pérovskite continuent de pousser l’efficacité de conversion en caractérisant les défauts de la pérovskite. Alors que les semi-conducteurs de pérovskite sont remarquablement tolérants aux défauts, les défauts affectent toujours négativement les performances, en particulier ceux qui se produisent à la surface de la couche active. D’autres chercheurs explorent de nouvelles formulations chimiques de pérovskite, à la fois pour ajuster leurs propriétés électroniques pour des applications spécifiques (comme les piles de cellules en tandem), ou pour améliorer encore leur stabilité et leur durée de vie.

Les chercheurs travaillent également sur de nouvelles conceptions de cellules, de nouvelles stratégies d’encapsulation pour protéger les pérovskites de l’environnement et pour comprendre les voies de dégradation de base afin de pouvoir utiliser des études sur le vieillissement accéléré pour prédire la durée de vie des cellules solaires pérovskites sur les toits. D’autres explorent rapidement une variété de procédés de fabrication, notamment comment adapter les « encres » de pérovskite aux méthodes d’impression à grande échelle établies. Enfin, alors que les pérovskites les plus performantes sont aujourd’hui fabriquées avec une petite quantité de plomb, les chercheurs explorent également des compositions alternatives et de nouvelles stratégies d’encapsulation, afin d’atténuer les préoccupations liées à la toxicité du plomb.

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diagramme de programme de la plaque chauffante

Comment CEI avance-t-elle les pérovskites?

Les cristaux de pérovskite présentent souvent des défauts à l’échelle atomique qui peuvent réduire l’efficacité de la conversion solaire. David Ginger, scientifique en chef de la CEI et professeur de chimie, a développé des techniques de « passivation », traitant les pérovskites avec différents composés chimiques pour guérir ces défauts. Mais lorsque les cristaux de pérovskite sont assemblés en cellules solaires, les électrodes de collecte de courant peuvent créer des défauts supplémentaires. En 2019, Ginger et ses collaborateurs de Georgia Tech ont reçu un financement des États-Unis. Le Bureau des technologies de l’énergie solaire du Département de l’Énergie (SETO) développera de nouvelles stratégies de passivation et de nouveaux matériaux de collecte de charges, permettant aux cellules solaires à pérovskite d’atteindre leur plein potentiel d’efficacité tout en restant compatibles avec une fabrication à faible coût.

Le professeur de chimie Daniel Gamelin et son groupe visent à modifier les cellules solaires au silicium avec des revêtements en pérovskite pour collecter plus efficacement les photons à haute énergie de la lumière bleue, en contournant la limite théorique de 33% de conversion pour les cellules au silicium conventionnelles. Gamelin et son équipe ont mis au point des points quantiques de pérovskite — de minuscules particules mille fois plus petites qu’un cheveu humain — capables d’absorber des photons à haute énergie et d’émettre deux fois plus de photons à basse énergie, un processus appelé « coupe quantique ». »Chaque photon absorbé par une cellule solaire génère un électron, de sorte que le revêtement de points quantiques de pérovskite pourrait augmenter considérablement l’efficacité de conversion.

Gamelin et son équipe ont formé une entreprise dérivée appelée BlueDot Photonics pour commercialiser la technologie. Avec le financement de SETO, Gamelin et BlueDot développent des techniques de dépôt pour créer des couches minces de matériaux pérovskites pour les cellules solaires de grande surface et pour améliorer les cellules solaires au silicium conventionnelles.

Le professeur de génie chimique Hugh Hillhouse utilise des algorithmes d’apprentissage automatique pour faciliter la recherche sur les pérovskites. En utilisant la photoluminescence capturée par vidéo à haute vitesse, Hillhouse et son groupe testent une variété de pérovskites hybrides pour la stabilité à long terme. Ces expériences génèrent d’énormes ensembles de données, mais en utilisant l’apprentissage automatique, elles visent à générer un modèle prédictif de dégradation des cellules solaires à pérovskite. Ce modèle peut les aider à optimiser la composition chimique et la structure d’une cellule solaire à pérovskite pour une stabilité à long terme – un obstacle clé à la commercialisation.

Sur les bancs d’essai de Washington Clean Energy, un laboratoire en accès libre exploité par CEI, les chercheurs et les entrepreneurs peuvent utiliser des équipements de pointe pour développer, tester et mettre à l’échelle des technologies telles que les cellules solaires à pérovskite. En utilisant l’imprimante rouleau à rouleau sur les bancs d’essai, les encres de pérovskite peuvent être imprimées à basse température sur des substrats flexibles. Directeur technique des bancs d’essai J. Devin MacKenzie, professeur de science des matériaux & ingénierie et génie mécanique à UW, est un expert des matériaux et des techniques de fabrication à haut débit et à faible empreinte carbone. L’un des projets les plus actifs de son groupe, également financé par SETO, consiste à développer des instruments in situ capables de mesurer la croissance des cristaux de pérovskite lors de leur dépôt rapide lors de l’impression rouleau à rouleau. Avec le soutien du Joint Center for the Development and Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM), le groupe MacKenzie utilise également l’imprimante la plus haute résolution au monde pour développer de nouvelles électrodes permettant d’extraire le courant électrique des cellules solaires en pérovskite sans empêcher la lumière du soleil d’entrer dans la cellule.