Source: oist.jp
Des chercheurs de l'Université d'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ont créé des modules solaires de nouvelle génération avec un rendement élevé et une bonne stabilité. Fabriqués à partir d'un type de matériau appelé pérovskites, ces modules solaires peuvent maintenir une haute performance pendant plus de 2000 heures. Leurs résultats, publiés le 20 juillet 2020 dans la principale revue, Nature Energy, ont éclairé les perspectives de commercialisation.
Les pérovskites ont le potentiel de révolutionner l'industrie de la technologie solaire. Flexibles et légers, ils promettent plus de polyvalence que les cellules à base de silicium lourdes et rigides qui dominent actuellement le marché. Mais les scientifiques doivent surmonter certains obstacles majeurs avant que les pérovskites puissent être commercialisés.
«Il y a trois conditions que les pérovskites doivent remplir: elles doivent être bon marché à produire, très efficaces et avoir une longue durée de vie», a déclaré le professeur Yabing Qi, chef de l'OISTUnité des matériaux énergétiques et des sciences des surfaces, qui a dirigé cette étude.
Une démonstration d'une cellule solaire pérovskite
Le coût de fabrication des cellules solaires en pérovskite est faible, car les matières premières bon marché nécessitent peu d'énergie pour être traitées. Et en un peu plus d'une décennie, les scientifiques ont fait d'énormes progrès dans l'amélioration de l'efficacité avec laquelle les cellules solaires à pérovskite convertissent la lumière du soleil en électricité, avec des niveaux d'efficacité désormais comparables à ceux des cellules à base de silicium.
Cependant, une fois passés de minuscules cellules solaires à des modules solaires plus grands, les niveaux d'efficacité des pérovskites chutent. Ceci est problématique car la technologie solaire commerciale doit rester efficace à la taille de panneaux solaires, plusieurs pieds de longueur.
«La mise à l'échelle est très exigeante; tout défaut dans le matériau devient plus prononcé, vous avez donc besoin de matériaux de haute qualité et de meilleures techniques de fabrication », a expliqué le Dr Luis Ono, co-auteur de cette étude.
(À gauche) L'unité des matériaux énergétiques et des sciences de la surface de l'OIST travaille avec des cellules solaires et des modules de différentes tailles. (À droite) Dans cette étude, les scientifiques ont travaillé avec des modules solaires de 5 cm x 5 cm.
L'instabilité des pérovskites est un autre problème clé faisant l'objet d'une enquête approfondie. Les cellules solaires commerciales doivent pouvoir résister à des années de fonctionnement, mais actuellement, les cellules solaires à pérovskite se dégradent rapidement.
Construire les couches
L'équipe du professeur Qi, soutenue par le programme de démonstration de concept du Centre de développement technologique et d'innovation de l'OIST, a abordé ces problèmes de stabilité et d'efficacité en utilisant une nouvelle approche. Les dispositifs solaires en pérovskite sont constitués de plusieurs couches - chacune avec une fonction spécifique. Au lieu de se concentrer sur une seule couche, ils ont examiné les performances globales de l'appareil et la manière dont les couches interagissent les unes avec les autres.
La couche de pérovskite active, qui absorbe la lumière du soleil, se trouve au centre de l'appareil, prise en sandwich entre les autres couches. Lorsque les photons de lumière frappent la couche de pérovskite, les électrons chargés négativement exploitent cette énergie et «sautent» à un niveau d'énergie plus élevé, laissant derrière eux des «trous» chargés positivement là où se trouvaient les électrons. Ces charges sont ensuite détournées dans des directions opposées dans des couches de transport d'électrons et de trous au-dessus et au-dessous de la couche active. Cela crée un flux de charge - ou d'électricité - qui peut quitter le dispositif solaire via des électrodes. L'appareil est également encapsulé par une couche protectrice qui réduit la dégradation et empêche les produits chimiques toxiques de s'infiltrer dans l'environnement.
Les cellules et modules solaires en pérovskite se composent de nombreuses couches, chacune ayant une fonction spécifique. Les scientifiques ont ajouté ou modifié les couches surlignées en orange.
Dans l'étude, les scientifiques ont travaillé avec des modules solaires de 22,4 cm2.
Les scientifiques ont d'abord amélioré l'interface entre la couche active de pérovskite et la couche de transport d'électrons, en ajoutant un produit chimique appelé EDTAK entre les deux couches. Ils ont découvert que l'EDTAK empêchait la couche de transport d'électrons d'oxyde d'étain de réagir avec la couche active de pérovskite, augmentant la stabilité du module solaire.
L'EDTAK a également amélioré l'efficacité du module solaire pérovskite de deux manières différentes. Premièrement, le potassium dans l'EDTAK s'est déplacé dans la couche de pérovskite active et a «guéri» de minuscules défauts sur la surface de la pérovskite. Cela a empêché ces défauts de piéger les électrons et les trous en mouvement, permettant ainsi de générer plus d'électricité. L'EDTAK a également amélioré les performances en améliorant les propriétés conductrices de la couche de transport d'électrons en oxyde d'étain, ce qui facilite la collecte des électrons de la couche de pérovskite.
Les scientifiques ont apporté des améliorations similaires à l'interface entre la couche active de pérovskite et la couche de transport de trous. Cette fois, ils ont ajouté un type de pérovskite appelé EAMA entre les couches, ce qui a amélioré la capacité de la couche de transport de trous à recevoir des trous.
Le dispositif traité EAMA a également montré une meilleure stabilité lors des tests d'humidité et de température. Cela était dû à la façon dont l'EAMA interagissait avec la surface de la couche active de pérovskite, qui est une mosaïque de grains cristallins. Dans les dispositifs solaires sans EAMA, les scientifiques ont vu que des fissures se formaient à la surface de la couche active, qui provenaient des frontières entre ces grains. Lorsque les scientifiques ont ajouté EAMA, ils ont observé que le matériau de pérovskite supplémentaire remplissait les joints de grains et empêchait l'humidité de pénétrer, empêchant la formation de ces fissures.
L'équipe a également modifié la couche de transport de trous elle-même, en mélangeant une petite quantité de polymère appelée PH3T. Ce polymère a renforcé la résistance à l'humidité en conférant à la couche des propriétés hydrofuges.
Le polymère a également résolu un problème majeur qui avait auparavant entravé les améliorations de la stabilité à long terme. L'électrode au-dessus du module solaire en pérovskite est formée de fines bandes d'or. Mais au fil du temps, de minuscules particules d'or migrent de l'électrode, à travers la couche de transport de trous et dans la couche de pérovskite active. Cela altère de manière irréversible les performances de l'appareil.
Lorsque les chercheurs ont incorporé PH3T, ils ont constaté que les particules d'or migraient plus lentement dans l'appareil, ce qui augmentait considérablement la durée de vie du module.
Pour leur amélioration finale, les scientifiques ont ajouté une fine couche de polymère, du parylène, en plus du verre, pour fournir un revêtement protecteur au module solaire. Grâce à cette protection supplémentaire, les modules solaires ont conservé environ 86% de leur performance initiale, même après 2 000 heures d'éclairage constant.
En collaboration avec le Dr Said Kazaoui de l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST), l'équipe de l'OIST a testé les modules solaires améliorés et a obtenu un rendement de 16,6% - un rendement très élevé pour un module solaire de cette taille. Les chercheurs visent maintenant à effectuer ces modifications sur des modules solaires plus grands, ouvrant la voie au développement d'une technologie solaire commerciale à grande échelle à l'avenir.
