Des chercheurs en énergie solaire de l’Oregon State University ont braqué leurs projecteurs scientifiques sur des matériaux à structure cristalline découverts il y a près de deux siècles. Tous les matériaux de structure, appelés pérovskites, ne sont pas des semi-conducteurs. Mais les pérovskites à base de métal et d’halogène le sont. Elles détiennent un énorme potentiel en tant que cellules photovoltaïques qui pourraient être beaucoup moins chères à fabriquer que les cellules à base de silicium qui ont dominé le marché depuis sa création dans les années 1950. Un  potentiel tel, disent les chercheurs, pour peut-être un jour contribuer de manière significative au mix énergétique mondial.
John Labram du OSU College of Engineering est l’auteur correspondant de deux articles récents sur la stabilité des pérovskites, dans Communications Physics et le Journal of Physical Chemistry Letters. Il a également contribué à un article publié ces derniers jours dans Science. Cette étude, dirigée par des chercheurs de l’Université d’Oxford, a révélé qu’un additif moléculaire – un sel basé sur le composé organique pipéridine – améliore considérablement la longévité des cellules solaires en pérovskite.
Quid de la stabilité des matériaux ?
Les résultats présentés dans les trois articles approfondissent la compréhension d’un semi-conducteur prometteur qui découle d’une découverte faite il y a longtemps par un minéralogiste russe. Dans les montagnes de l’Oural en 1839, Gustav Rose est tombé sur un oxyde de calcium et de titane avec une structure cristalline intrigante et l’a nommé pérovskite en l’honneur du noble russe Lev Perovski. La pérovskite fait désormais référence à une gamme de matériaux qui partagent le réseau cristallin de l’original. Leur intérêt a commencé à s’accélérer en 2009 après qu’un scientifique japonais, Tsutomu Miyasaka, a découvert que certaines pérovskites absorbaient efficacement la lumière.
“En raison de leur faible coût, les cellules solaires en pérovskite ont le potentiel de participer à la réduction des combustibles fossiles et de révolutionner le marché de l’énergie”, a déclaré John Labram. “Cependant un des aspects mal compris de cette nouvelle classe de matériaux, réside dans leur stabilité sous un éclairage constant, un problème qui représente un obstacle à la commercialisation.”
Au cours des deux dernières années, le groupe de recherche de John Labram à l’École de génie électrique et d’informatique a construit un appareil expérimental unique pour étudier les changements de conductance des matériaux solaires au fil du temps. “En faisant équipe avec l’Université d’Oxford, nous avons démontré que l’instabilité induite par la lumière se produit sur plusieurs heures, même en l’absence de contact électrique”, a-t-il déclaré. “Ces résultats aident à clarifier les résultats similaires observés dans les cellules solaires et détiennent la clé pour améliorer la stabilité et la viabilité commerciale des cellules solaires à pérovskite.”
25% de rendement
L’efficacité des cellules solaires est définie par le pourcentage de puissance de la lumière solaire frappant une cellule qui est convertie en énergie électrique utilisable. Il y a sept décennies, Bell Labs a développé la première cellule solaire pour une application industrielle. Elle avait une efficacité modeste, selon les normes d’aujourd’hui, autour de 6% et elle était très coûteuse à fabriquer. Reste que ce chercheur a trouvé une niche pour sa cellule à savoir l’alimentation des satellites lancés au début de la course à l’espace.
Au fil du temps, les coûts de fabrication ont diminué et les rendements ont grimpé, même si la plupart des cellules n’ont pas beaucoup changé. Elles sont toujours constituées de deux couches de silicium presque pur dopées avec un additif. En 2012, l’un des collaborateurs de John Labram, Henry Snaith d’Oxford, a fait la découverte révolutionnaire que les pérovskites pouvaient être utilisées comme composant principal dans les cellules solaires, plutôt que simplement comme sensibilisateur. Cela a conduit à un tsunami d’activités de recherche sur le sujet et à la publication de milliers d’articles scientifiques chaque année. Huit ans de recherche plus tard, les cellules de pérovskite peuvent désormais fonctionner avec une efficacité de 25%, ce qui les rend, au moins en laboratoire, comparables aux cellules de silicium du commerce.
Des cellules à moindre coût
Les cellules de pérovskite peuvent être fabriquées à peu de frais à partir de produits chimiques industriels et de métaux couramment disponibles et peuvent être imprimées sur des films flexibles en plastique et produits en masse. Inversement, les cellules en silicium sont rigides et fabriquées à partir de tranches de silicium presque pur en tranches minces dans un processus coûteux à haute température. Un problème avec les pérovskites est leur tendance à être quelque peu instable lorsque les températures augmentent. L’autre souci réside dans la vulnérabilité à l’humidité. Une combinaison qui peut faire décomposer les cellules ! C’est un problème pour un produit qui doit durer deux ou trois décennies en plein air. “En général, pour pouvoir vendre un panneau solaire aux États-Unis et en Europe, il faut une garantie de 25 ans”, a déclaré John Labram. «Ce que cela signifie en réalité, c’est que la cellule solaire devrait montrer pas moins de 80% de ses performances d’origine après 25 ans. La technologie actuelle, le silicium, est plutôt bonne pour cela. Mais le silicium doit être produit de façon onéreuse à des températures supérieures à 2 000 degrés Celsius dans des conditions contrôlées, pour former des cristaux parfaits et sans défaut, afin qu’ils fonctionnent correctement. » A l’inverse, les pérovskites, d’autre part, sont très tolérantes aux défauts. “Ils peuvent être dissous dans un solvant, puis imprimés à une température proche de la température ambiante”, a-t-il ajouté. «Cela signifie qu’ils pourraient éventuellement être produits à une fraction du coût du silicium. Cependant, pour que cela se produise, ils doivent être certifiés avec une garantie de 25 ans. Cela nous oblige à comprendre et à améliorer la stabilité de ces matériaux. »
L’avenir dans la cellule tandem
L’une des voies d’accès au marché est une cellule tandem composée à la fois de silicium et de pérovskites qui pourrait transformer une plus grande partie du spectre solaire en énergie. Les tests en laboratoire sur les cellules en tandem ont produit des rendements de 28%. Ce type de rendements semble réaliste à horizon 2030 », a souligné John Labram. «Les cellules tandem pourraient permettre aux producteurs de panneaux solaires d’offrir une performance au-delà de tout ce que le silicium seul pourrait réaliser», a-t-il poursuivi. «La double approche pourrait aider à supprimer la barrière à l’entrée des pérovskites sur le marché.» Des films de perovskite semi-transparents peuvent également un jour être utilisés sur les fenêtres ou dans les serres, convertissant une partie de la lumière solaire entrante en électricité tout en laissant passer le reste. “Lorsqu’il s’agit de production d’énergie, le coût est le facteur le plus important”, a conclu John Labram. «Le silicium et les pérovskites affichent désormais à peu près la même efficacité. À long terme, cependant, les cellules solaires en pérovskite peuvent être fabriquées à une fraction du coût des cellules solaires au silicium. Et bien que l’histoire nous ait montré que l’action politique sur le changement climatique est largement inefficace, si vous pouvez produire de l’électricité à partir de sources renouvelables à un coût inférieur aux combustibles fossiles, tout ce que vous avez à faire est de fabriquer le produit. Alors le marché prendra soin du reste.”
