Rapprocher les cellules solaires à pérovskite de la commercialisation
Les cellules solaires à pérovskite représentent une technologie de rupture révolutionnaire qui pourrait laisser présager d’énormes progrès dans le domaine de l’énergie verte. L’industrie photovoltaïque (PV) est actuellement dominée par les technologies à base de silicium, mais les cellules solaires à base de pérovskites, une famille de cristaux artificiels, pourraient bouleverser radicalement ce paradigme, en permettant potentiellement d’atteindre un rendement bien supérieur à un coût nettement inférieur. Les cellules PV à pérovskite utilisent une couche ultramince de matériau semi-conducteur, et délivrent actuellement des performances pouvant atteindre 25,7 %, soit presque le rendement de 26,7 % atteint par le silicium au cours des six dernières décennies de R&D. La pérovskite a atteint ce niveau en seulement une décennie. Bien que ces cellules solaires soient devenues remarquablement efficaces sur un laps de temps très court, plusieurs obstacles doivent encore être surmontés avant qu’elles puissent devenir une technologie solaire compétitive sur les marchés commerciaux. Un grand problème tient au fait que les pérovskites sont sensibles aux dommages environnementaux et sont sujettes à la dégradation. Pour les protéger, les chercheurs recouvrent les cellules solaires de matériaux 2D connus sous le nom de dichalcogénures de métaux de transition, des couches semi-conductrices de l’épaisseur d’un atome, fabriquées à partir d’un matériau similaire au graphène. Ces couches augmentent la stabilité et les performances des cellules solaires, en améliorant la communication électrique. «Cette opération a pour effet d’améliorer la tension, ce qui améliore les performances du dispositif», explique Shahzada Ahmad, professeur à BCMaterials, à l’université du Pays basque. Ces matériaux 2D présentent toutefois une faible conductivité verticale; ils ne peuvent donc pas être utilisés dans une configuration multicouche pour créer des cellules solaires à pérovskite stables et à haute efficacité.
Présentation de l’intercouche et de molécules innovantes
Dans le cadre du projet SMILIES, financé par l’UE, Shahzada Ahmad et ses collègues se sont attachés à relever ce défi, en utilisant des molécules pour combler l’écart de connectivité électrique et améliorer la conductivité verticale. «Nous introduisons une couche fine de quelques atomes seulement, placée sur une pérovskite. Cela réduit la barrière énergétique et l’accumulation de charges au niveau de l’interface, et permet d’intensifier l’extraction des charges et d’améliorer la dynamique du transfert de charges», explique Shahzada Ahmad, coordinateur du projet SMILIES. Ces recherches ont été entreprises avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie.
Test de la nouvelle couche de molécules
Tout au long du projet SMILIES, l’équipe a réalisé plusieurs essais de sa nouvelle technologie, tout en améliorant la stabilité des cellules solaires et en s’efforçant de réduire les coûts généraux. «Les résultats de nos essais en laboratoire ont été relativement concluants et sont reproductibles», fait remarquer Shahzada Ahmad. «Nous avons également publié un document de protocole, disponible gratuitement, afin que tout le monde puisse reproduire nos travaux et apprendre à fabriquer des cellules solaires.» L’équipe a également analysé le fonctionnement des mécanismes du dispositif, en utilisant la spectroscopie d’admittance, une méthode qui permet de mesurer le transfert de charge. Elle a eu recours à l’apprentissage automatique pour prédire le fonctionnement des pérovskites ainsi que celui des nouvelles couches. Globalement, forte de ce succès, elle a été en mesure d’accroître la fiabilité d’une cellule à pérovskite, mesurée dans des conditions réelles.
Une technologie polyvalente
«Les cellules solaires à pérovskite utilisent une quantité minuscule de matériau», ajoute Shahzada Ahmad. «L’épaisseur du dispositif est inférieure à 1 micron, et celle de la pérovskite avoisine les 500 nm. Les pérovskites peuvent être déposées à partir d’une solution, ce qui permet de les fabriquer à un coût d’installation et de fabrication moindre.» Ainsi, les pérovskites pourraient même être transformées en encre, imprimées à l’aide de technologies d’impression normales, intégrées aux tissus ou même ajoutées aux matériaux de construction. Shahzada Ahmad va poursuivre ses travaux sur cette technologie avec le soutien d’une subvention du Conseil européen de la recherche. «Nous nous employons à optimiser l’interface avec différents matériaux innovants autres que le graphène. L’interface est très importante, car il s’agit du “cœur” de tout dispositif électrique», explique-t-il.
Mots‑clés
SMILIES, solaire, pérovskite, commercial, marchés, couche, charge