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Les matériaux prometteurs pour les cellules solaires, appelés pérovskites, ont besoin d’un partenaire. Les chercheurs s’intéressent à une couche de pérovskite, qui absorbe les photons bleus de haute énergie à la lumière du soleil, avec du silicium standard, qui absorbe la lumière à basse énergie.

Combiner deux sortent de cellules solaires

En théorie, de telles cellules en tandem devraient fournir une double dose d’énergie, l’électricité provenant des deux couches. Mais la construction de deux cellules solaires complètes, l’une sur l’autre, ajoute des coûts et d’autres défis. La semaine dernière, une équipe a déclaré proposer un moyen potentiellement plus simple et moins coûteux de fabriquer ce tandem.
La pérovskite de l’équipe convertit la lumière au lieu de générer du courant, transformant les photons bleus en photons proches de l’infrarouge, que la cellule au silicium située en dessous transforme en électricité. Les chercheurs disent que cette conception pourrait augmenter de près de 20% l’efficacité des cellules solaires au silicium. Si tel est le cas, cela pourrait être essentiel pour réaliser les promesses des pérovskites, une classe de composés qui partagent une structure cristalline et sont fabriqués à partir d’éléments communs tels que le plomb, le brome et le chlore.
«C’est l’un des résultats les plus excitants que je connaisse depuis longtemps», déclare Michael McGehee, expert en pérovskite à l’Université Stanford de Palo Alto, en Californie. « Le gain d’efficacité qu’ils revendiquent est très important. » Les fabricants de cellules solaires au silicium, une industrie de 30 milliards de dollars depuis 2016, réaliseraient des gains d’efficacité pour chaque dixième de points de pourcentage.
Le silicium domine l’industrie solaire, non pas parce qu’il est le meilleur convertisseur solaire, mais parce qu’il est utilisable et relativement bon marché. Néanmoins, les fabricants doivent utiliser des salles blanches coûteuses pour le purifier et le préparer. Les pérovskites, en revanche, sont faciles à produire en une mince couche absorbant fortement la lumière. La plupart des pérovskites absorbent mieux la lumière bleue. Elles doivent donc être associées à d’autres matériaux pour capturer tout le spectre solaire.
L’industrie solaire s’emploie à commercialiser les pérovskites en les plaçant au-dessus de modules classiques en silicium, qui rejettent une grande partie de l’énergie contenue dans les photons à lumière plus bleue et la libèrent sous forme de chaleur plutôt que de courant électrique. Toutefois, outre les coûts liés à l’ajout de couches, les fabricants doivent également faire face à des défis pratiques, tels que la conception des tandems, de sorte que la quantité de courant sortant de chaque cellule soit la même. S’ils ne le font pas, le courant global est limité par la plus faible des deux cellules.

Un match parfait

Une nouvelle conception de cellules solaires en tandem utilise une couche de pérovskite, qui absorbe l’énergie des photons bleus et violets et la réémet sous forme de photons proches de l’infrarouge. Avec d’autres couleurs de lumière, ces photons sont absorbés par une cellule solaire en silicium et les convertis en électricité.
Il y a deux ans, des chercheurs dirigés par l’ingénieur en électricité Hongwei Song de l’Université Jilin à Changchun, en Chine, ont présenté un moyen de contourner ces défis. En saupoudrant une petite quantité de ytterbium, un métal des terres rares, dans un pérovskite standard à base de césium et de plomb, ils ont découvert qu’ils pouvaient construire un tandem en pérovskite avec une architecture différente, plus simple. Comme les pérovskites conventionnelles, la version dopée à l’ytterbium absorbe les photons bleus, activant les électrons du matériau.
Mais ces électrons ne sont pas transformés en courant. Au lieu de cela, ils transmettent immédiatement leur énergie aux atomes d’ytterbium, qui les réémettent pratiquement sous forme de lumière proche de l’IR. La plupart de ces photons pénètrent dans la cellule de silicium située au-dessous, qui absorbe presque toute leur énergie et la convertit efficacement en électricité, ne perdant que très peu de chaleur. « Pour la conversion de l’énergie solaire, cette combinaison de matériaux correspond presque exactement à ce que vous souhaitez », déclare Daniel Gamelin, chimiste à l’Université de Washington à Seattle.

Créer des couches uniformes

Les perovskites créés par l’équipe de Song étaient toutefois des nanoparticules qu’il est difficile de déposer uniformément sur une cellule de silicium. L’enjeu est de taille avec les cellules commerciales les plus performantes, dans lesquelles le silicium est placé sur une couche de verre protectrice rendue rugueuse intentionnellement. Les montages de verres miniatures aident la lumière à pénétrer dans la cellule au lieu de se refléter sur sa surface supérieure, mais les nanoparticules de pérovskite ne forment pas toujours une couche uniforme sur la surface rugueuse.
Lors de la réunion de l’American Chemical Society tenue ici la semaine dernière, Gamelin a indiqué que ses collègues et lui-même avaient résolu ce problème. Ils ont utilisé une technique courante de croissance de cellules solaires, appelée dépôt sous vide, pour créer de fines couches lisses de pérovskite dopé à l’ytterbium sur des cellules solaires au silicium d’environ 14 centimètres. Cette technique recouvre la minuscule chaîne de montagnes de verre d’un film de pérovskite homogène.
Dans le tandem résultant, presque toute la lumière bleue absorbée par la pérovskite est convertie en photons proches de l’infrarouge, a rapporté Gamelin. En conséquence, prédit-il, le perovskite ytterbium devrait permettre à une cellule haut de gamme en silicium de convertir 32,2% de l’énergie absorbée sous forme de lumière solaire en électricité, en hausse de 27%, soit une augmentation de 19,2%. L’équipe de Gamelin fait actuellement des expériences pour confirmer ces prévisions. « Je suis un peu sceptique quant aux chiffres », a déclaré McGehee. Mais même une fraction de cette augmentation « serait un gros problème », dit-il.
Michael Graetzel, expert en photovoltaïque à l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, en convient. Mais il affirme que des problèmes pratiques tels que l’émission de photons dans le proche infrarouge peuvent limiter les gains à moins de 10%.

Des startups pour lancer de type de cellules solaires

Le mois dernier, Gamelin et ses collègues ont lancé une startup, BlueDot, pour commercialiser cette technologie. Ils ont beaucoup de concurrence. Des startup pérovskites telles que Oxford PV au Royaume-Uni et Saule Technologies à Varsovie testent déjà sur le terrain leurs tandems en pérovskite-silicium ou se préparent à le faire. BlueDot espère toutefois dépasser les autres sociétés, car sa conception en tandem simplifiée devrait permettre aux fabricants de cellules solaires au silicium standard d’intégrer plus facilement les pérovskites dans leurs chaînes de fabrication – et d’en faire des toits sur les toits du monde.
Source : Science
Crédit photo : Pixabay