Source : cei.washington.edu/
Qu'est-ce qu'une pérovskite
Une pérovskite est un matériau qui a la même structure cristalline que l'oxyde de calcium et de titane minéral, le premier cristal de pérovskite découvert. Généralement, les composés pérovskites 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 pour avoir une grande variété de caractéristiques physiques, optiques et électriques. Les cristaux de pérovskite se trouvent aujourd'hui dans les machines à ultrasons, les puces mémoire et maintenant les cellules solaires.
Un schéma d'une structure cristalline de pérovskite. (Wikimedia Commons)
Applications énergétiques propres des pérovskites
Toutes les cellules solaires photovoltaïques reposent sur des semi-conducteurs - des matériaux situés 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 des électrons dans le matériau semi-conducteur, qui s'écoulent dans des électrodes conductrices et produisent un courant électrique.
Le silicium est le principal matériau semi-conducteur 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. Dans la recherche d'une alternative, les scientifiques ont exploité l'accordabilité des pérovskites pour créer des semi-conducteurs ayant des propriétés similaires à celles du silicium. Les cellules solaires à pérovskite peuvent être fabriquées à l'aide de techniques de dépôt additives simples, comme l'impression, pour une fraction du coût et de l'énergie. En raison de la flexibilité de composition des pérovskites, elles peuvent également être réglées pour correspondre idéalement au spectre du soleil.
En 2012, les chercheurs ont découvert pour la première fois comment fabriquer une cellule solaire pérovskite à couche mince stable avec des rendements de conversion photon-électron lumineux de plus de 10 %, en utilisant des pérovskites aux halogénures 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 grimpé en flèche, le record du laboratoire s'établissant à 25,2 %. Les chercheurs combinent également des cellules solaires à pérovskite avec des cellules solaires au silicium conventionnelles – les rendements records pour ces cellules tandem « pérovskite sur silicium » sont actuellement de 29,1 % (dépassant le record de 27 % pour les cellules au silicium conventionnelles) et augmentent rapidement. Avec cette augmentation rapide de l'efficacité des cellules, les cellules solaires à pérovskite et les cellules solaires à pérovskite tandem pourraient bientôt devenir des alternatives bon marché et très efficaces aux cellules solaires conventionnelles au silicium.
Coupe transversale d'une cellule solaire à pérovskite. (Institut de l'énergie propre)
Quels sont les objectifs de recherche actuels?
Alors que les cellules solaires à pérovskite, y compris la pérovskite sur des tandems de silicium, sont commercialisées par des dizaines d'entreprises dans le monde, il reste encore des défis scientifiques et techniques fondamentaux à relever qui peuvent améliorer leurs performances, leur fiabilité et leur capacité de fabrication.
Certains chercheurs sur la pérovskite continuent de pousser les efficacités de conversion en caractérisant les défauts de la pérovskite. Alors que les semi-conducteurs pérovskites 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 davantage 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 de vieillissement accéléré pour prédire la durée de vie des cellules solaires en pérovskite sur les toits. D'autres explorent rapidement une variété de procédés de fabrication, y compris comment adapter les « encres » pérovskites 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 inquiétudes liées à la toxicité du plomb.
Comment CEI fait-elle progresser les pérovskites ?
Les cristaux de pérovskite présentent souvent des défauts à l'échelle atomique qui peuvent réduire l'efficacité de la conversion solaire. Le scientifique en chef de la CEI et professeur de chimie, David Ginger, a développé des techniques de « passivation », en traitant les pérovskites avec différents composés chimiques pour guérir ces défauts. Mais lorsque les cristaux de pérovskite sont assemblés dans des cellules solaires, les électrodes collectrices de courant peuvent créer des défauts supplémentaires. En 2019, Ginger et ses collaborateurs de Georgia Tech ont reçu un financement du Solar Energy Technologies Office (SETO) du département américain de l'Énergie pour développer 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 en silicium avec des revêtements en pérovskite pour collecter plus efficacement les photons de haute énergie de la lumière bleue, en contournant la limite théorique de 33% de conversion pour les cellules en silicium conventionnelles. Gamelin et son équipe ont développé des points quantiques pérovskites - de minuscules particules des milliers de fois plus petites qu'un cheveu humain - qui peuvent absorber des photons de haute énergie et émettre deux fois plus de photons de 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 en pérovskite pourrait augmenter considérablement les efficacités de conversion.
Gamelin et son équipe ont formé une entreprise dérivée appelée BlueDot Photonics pour commercialiser la technologie. Grâce au financement de SETO, Gamelin et BlueDot développent des techniques de dépôt pour créer des films minces de matériaux pérovskites pour les cellules solaires à grande surface et pour améliorer les cellules solaires conventionnelles en silicium.
Le professeur de génie chimique Hugh Hillhouse utilise des algorithmes d'apprentissage automatique pour faciliter la recherche sur les pérovskites. À l'aide de la photoluminescence capturée par vidéo à haute vitesse, Hillhouse et son groupe testent une variété de pérovskites hybrides pour une 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 pour les 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.
Dans les bancs d'essai de l'énergie propre de Washington, un laboratoire à accès ouvert exploité par le 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 pérovskites peuvent être imprimées à basse température sur des substrats flexibles. Directeur technique des bancs d'essaiJ. Devin MacKenzie, professeur de science des matériaux& l'ingénierie et l'ingénierie mécanique à l'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 car ils se déposent rapidement lors de l'impression rouleau à rouleau. Avec le soutien du Centre commun pour le développement et Research of Earth Abundant Materials (JCDREAM), le groupe de MacKenzie utilise également l'imprimante la plus haute résolution au monde pour développer de nouvelles électrodes afin de tirer le courant électrique des cellules solaires à pérovskite sans empêcher la lumière du soleil d'entrer dans la cellule.
Le directeur technique des bancs d'essai de Washington Clean Energy, J. Devin MacKenzie, fait une démonstration de l'imprimante rouleau à rouleau à plusieurs étages des bancs d'essai pour l'électronique flexible. (Institut de l'énergie propre)
