L’énergie solaire au silicium et à la pérovskite atteint 34 % d’efficacité

[duJambon]

Il y a encore des problèmes de longévité, mais les choses continuent de s’améliorer.

Alors que le prix des panneaux de silicium continue de baisser, nous avons atteint le point où ils représentent un coût faible et en diminution pour la construction d’un parc solaire. Cela signifie qu’il pourrait être intéressant de dépenser plus pour obtenir un panneau qui convertit une plus grande partie de la lumière solaire entrante en électricité, car cela vous permet de tirer le meilleur parti du prix payé pour installer chaque panneau. Mais les panneaux en silicium se heurtent déjà aux limites physiques de leur efficacité. Cela signifie que notre meilleure chance d’augmenter considérablement l’efficacité des panneaux pourrait être de combiner le silicium avec un matériau photovoltaïque supplémentaire.

À l’heure actuelle, l’accent est mis sur l’association du silicium avec une classe de matériaux appelés pérovskites. Les cristaux de pérovskite peuvent être superposés au silicium, créant ainsi un panneau composé de deux matériaux qui absorbent différentes zones du spectre. De plus, les pérovskites peuvent être fabriquées à partir de matières premières relativement bon marché. Malheureusement, il a été difficile de fabriquer des pérovskites qui soient à la fois très efficaces et durent aussi longtemps que la partie silicium.

Cependant, de nombreux laboratoires tentent de changer cela. Et deux d’entre eux ont signalé des progrès cette semaine, notamment un système pérovskite/silicium qui a atteint une efficacité de 34 %.

Augmenter la stabilité de la pérovskite

Les pérovskites constituent une classe entière de matériaux qui forment tous la même structure cristalline. Il existe donc une grande flexibilité en ce qui concerne les matières premières utilisées. Les panneaux photovoltaïques à base de pérovskite sont généralement formés par ce qu’on appelle un traitement en solution, dans lequel toutes les matières premières sont dissoutes dans un liquide qui est ensuite déposé en couche sur le futur panneau, permettant aux cristaux de pérovskite de se former sur toute sa surface. Ce qui est formidable, sauf que ce processus a tendance à former plusieurs cristaux avec des orientations différentes sur une même surface, ce qui diminue les performances.

Pour ajouter aux problèmes, les pérovskites ne sont pas non plus particulièrement stables. Ils sont généralement constitués d’une combinaison d’ions chargés positivement et négativement, et ceux-ci doivent être présents dans les bons rapports pour former une pérovskite. Cependant, certains de ces ions individuels peuvent se diffuser avec le temps, perturbant ainsi la structure cristalline. La récolte de l’énergie solaire, qui implique que le matériau absorbe beaucoup d’énergie, aggrave les choses en chauffant le matériau, ce qui augmente le taux de diffusion.

Ensemble, ces facteurs sapent l’efficacité des cellules solaires à pérovskite et signifient qu’aucune ne dure aussi longtemps qu’une feuille de silicium. Les nouveaux travaux abordent ces questions sous deux angles très différents.

Le premier des nouveaux articles aborde la stabilité en utilisant la flexibilité des pérovskites pour incorporer divers ions. Les chercheurs ont commencé par utiliser une technique appelée théorie fonctionnelle de la densité pour modéliser le comportement de différentes molécules lorsqu’elles étaient placées à un endroit normalement occupé par un ion chargé positivement. Et la modélisation les a enthousiasmés par une molécule appelée tétrahydrotriazinium, qui possède un cycle à six atomes composé d’une alternance d’atomes de carbone et d’azote. Le placement régulier des azotes autour du cycle lui permet de former des interactions régulières avec les atomes voisins dans la structure cristalline.

Le tétrahydrotriazinium a une charge neutre lorsque seulement deux des azotes sont liés à des hydrogènes. Mais il récupère généralement un hydrogène chargé (en fait, un proton) hors de la solution, lui donnant une charge nette positive. Cela laisse chacun de ses trois azotes associés à un hydrogène et permet de répartir la charge positive entre eux. Cela rend cette interaction incroyablement forte, ce qui signifie qu’il est extrêmement peu probable que les hydrogènes dérivent, ce qui stabilise également la structure cristalline.

Cela devrait donc rendre les pérovskites beaucoup plus stables. Le seul problème? Le tétrahydrotriazinium a tendance à réagir avec de nombreux autres produits chimiques, il est donc difficile de le fournir comme matière première pour la solution formant de la pérovskite.

Haute efficacité

Ainsi, les chercheurs impliqués dans ces travaux, basés en Arabie Saoudite et en Turquie, ont décidé d’introduire des matières premières capables de former du tétrahydrotriazinium dans la solution formant de la pérovskite. Le raisonnement est que le produit chimique se formerait en solution et serait immédiatement incorporé dans un cristal de pérovskite, après quoi il n’aurait aucune chance de réagir avec autre chose. Et ça a marché. L’équipe a utilisé la théorie fonctionnelle de la densité pour prédire à quoi devrait ressembler le spectre d’absorption du matériau et a constaté que les pérovskites produites à l’aide de ce processus correspondaient étroitement à la prédiction.

Les cristaux initiaux présentaient quelques défauts causés par une répartition inégale des autres ions dans le cristal. Cependant, les chercheurs ont essayé diverses conditions pour la réaction de formation de cristaux et en ont trouvé une qui éliminait largement ces imperfections.

Ainsi, l’équipe est allée de l’avant et l’a superposé au silicium et a obtenu des rendements de l’ordre de 33 à 34 pour cent. Ils ont également envoyé un échantillon à un laboratoire de test européen, qui a obtenu une efficacité de 33,7 pour cent. Les chercheurs ont quelques idées qui devraient augmenter ce chiffre à 35 pour cent, mais ne les ont pas tentées pour cet article. À titre de comparaison, l’efficacité maximale du silicium seul est de l’ordre de 27 %, ce qui représente une augmentation très significative et l’une des combinaisons pérovskite/silicium les plus élevées jamais signalées.

Les cristaux étaient raisonnablement stables lorsqu’ils étaient simplement exposés à la lumière. Mais la combinaison de la lumière et de la chaleur a provoqué une dégradation plus importante des performances. Les chercheurs affirment que « les appareils conservent ≥90 % de leurs performances initiales jusqu’à 1 000 heures », mais qu’une dégradation pouvant atteindre 10 % en trois mois environ n’est pas prête pour un déploiement commercial. Donc, il y a encore du travail à faire là-bas.

De meilleurs cristaux

Le deuxième article se concentre sur le fait que le traitement en solution tend à produire un grand nombre de cristaux individuels, les défauts entre eux permettant aux atomes de s’échapper de la structure pérovskite. Pour résoudre ce problème, il faut trouver un équilibre : exercer un plus grand contrôle sur le processus de cristallisation sans en augmenter le temps et le coût au point d’effacer certains des avantages de la pérovskite.

Pour contrôler ce processus, les chercheurs se sont concentrés sur l’utilisation de ce qu’on appelle un anti-solvant, qui réduit essentiellement la solubilité des autres produits chimiques en solution. Celui qu’ils ont utilisé était essentiellement une longue chaîne d’hydrocarbures liée à un atome d’ammonium et de brome, qui sont tous deux généralement des composants des pérovskites. L’ajouter à la solution pourrait contrôler la formation de cristaux de pérovskite avec une grande variété de compositions. Le résultat était un cristal plus robuste avec moins de défauts qui affectent les performances et la stabilité.

Lorsqu’ils sont combinés à une couche photovoltaïque en silicium, ces dispositifs ont atteint des rendements de l’ordre de 30 à 33 pour cent, encore une fois, nettement supérieurs à ceux du silicium seul. La durabilité reste cependant un problème, avec des performances similaires à celles du matériau mentionné ci-dessus à des températures élevées. Mais à température ambiante, le matériau avait plus de 98 % de son efficacité initiale après 100 jours. Cependant, les opérations à température ambiante sont peu probables, et cela ne sera toujours pas suffisant pour un usage commercial.

L’avantage de ce travail est qu’il aborde deux aspects différents des performances de la pérovskite : la composition cristalline et la formation des cristaux. Il serait donc possible de combiner les deux et d’obtenir des performances encore meilleures. Pourtant, comme le suggère l’un des articles, “il est évident que la stabilité photothermique des cellules solaires tandem pérovskite/silicium est un défi à multiples facettes qui nécessite de résoudre diverses complexités, notamment les interfaces, les contacts, les électrodes et les encapsulants”. Ainsi, même si nous constatons des progrès, nous n’avons pas encore vu d’approche capable d’équilibrer toutes ces complexités en un produit commercialement viable.

Source: https://arstechnica.com/science/2024/08/continued-progress-with-dual-layer-solar-cells/

Quand on pense que le rendement des premiers panneaux solaires était de l’ordre de 4 à 5 %