Les cellules solaires sont l’élément central des panneaux photovoltaïques: c’est là où l’électricité est produite par effet photovoltaïque. Les cellules à base de pérovskites sont considérées comme la nouvelle génération de cellules photovoltaïques, offrant des avantages significatifs en termes de rendement et de coût de fabrication par rapport aux cellules solaires traditionnelles à base de silicium. Dans cet article, nous explorerons les caractéristiques uniques des cellules solaires à base de pérovskites et expliquerons pourquoi ils sont considérés comme une avancée majeure dans la production d’électricité solaire.
La pérovskite est un matériau à base de plomb qui a suscité un intérêt considérable dans le domaine des cellules solaires. Les cellules solaires à base de pérovskites offrent un rendement élevé et une fabrication moins coûteuse par rapport aux cellules photovoltaïques traditionnelles à base de silicium. Les chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) en France, ainsi que des chercheurs de l’Energy Laboratory NREL (National Renewable Energy Laboratory) aux États-Unis, ont travaillé sur leur amélioration.
Qu’est-ce que la perovskite ?
Les matériaux pérovskites sont des composés organiques-inorganiques ayant une formule générale ABX3, où A est un cation organique, B est un cation métallique (généralement du plomb ou de l’étain) et X est un anion (généralement un halogénure comme l’iodure, le bromure ou le chlorure). Ce ne sont donc pas des métaux, mais plutôt une famille de matériaux cristallins organiques-inorganiques avec une structure spécifique.
Elles ne sont pas extraites directement sous forme de minéraux, mais plutôt synthétisées à partir de leurs précurseurs. Les éléments constitutifs des pérovskites, tels que le plomb et l’étain, sont des métaux extraits de la croûte terrestre. Le plomb est généralement extrait de minerais tels que la galène (PbS), tandis que l’étain est extrait de la cassitérite (SnO2). Les réserves de plomb se trouvent principalement en Australie, en Chine, aux États-Unis, au Pérou et au Mexique. Les principales réserves d’étain se situent en Chine, en Indonésie, au Pérou, au Brésil et en Bolivie.
Quant aux halogénures, ils sont produits à partir d’éléments tels que l’iode, le brome et le chlore. L’iode est extrait de sources telles que les dépôts souterrains d’iodure de potassium et les algues marines, tandis que le brome et le chlore sont extraits de l’eau de mer, des lacs salés et des saumures souterraines.
Les propriétés des pérovskites
Les aspects scientifiques des cellules solaires à base de pérovskites reposent principalement sur leur structure cristalline unique et leurs propriétés optoélectroniques.
Structure cristalline
La structure cristalline des pérovskites est responsable de leurs propriétés optoélectroniques exceptionnelles. Les matériaux pérovskites adoptent une structure cubique, où les cations A sont situés aux coins du cube, les cations B sont au centre et les anions X occupent les centres des arêtes. Cette structure permet une largeur de bande interdite ajustable et une forte absorption de la lumière, ce qui est essentiel pour une conversion efficace de la lumière solaire en électricité.
Propriétés optoélectroniques
Les pérovskites présentent des propriétés optoélectroniques remarquables, notamment une absorption de la lumière élevée, une longueur de diffusion des porteurs de charge importante et un faible nombre de défauts cristallins:
- Absorption de la lumière élevée : Les pérovskites ont un coefficient d’absorption élevé, ce qui signifie qu’elles peuvent absorber une grande partie du spectre solaire. Cela permet d’augmenter le rendement des cellules solaires en captant plus d’énergie lumineuse.
- Longueur de diffusion des porteurs de charge importante : Les porteurs de charge (électrons et trous) dans les pérovskites ont une longueur de diffusion élevée, ce qui leur permet de se déplacer sur de longues distances avant de se recombiner. Cela augmente la probabilité que les porteurs de charge atteignent les électrodes et soient collectés, améliorant ainsi le rendement des cellules solaires.
- Faible nombre de défauts cristallins : Les matériaux pérovskites ont un faible nombre de défauts cristallins, ce qui réduit la probabilité de recombinaison des porteurs de charge et augmente leur durée de vie. Cela améliore la performance des cellules solaires en minimisant les pertes d’énergie.
Ces propriétés permettent une conversion efficace de la lumière solaire en électricité.
Avantages et inconvénients des panneaux photovoltaïques à base de pérovskite
Les panneaux photovoltaïques à base de pérovskites présentent plusieurs avantages et inconvénients par rapport aux autres technologies solaires, tels que les cellules en silicium cristallin. Voici un aperçu des principaux avantages et inconvénients de cette technologie.
Avantages
- Rendement élevé : Les cellules solaires à base de pérovskites ont atteint des rendements supérieurs à 25 % en laboratoire, rivalisant avec les cellules en silicium cristallin. Leur fort coefficient d’absorption et leur longueur de diffusion des porteurs de charge permettent une conversion efficace de la lumière solaire en électricité.
- Faible coût : La fabrication de cellules solaires à base de pérovskites implique généralement des procédés à basse température et des techniques de dépôt peu coûteuses, telles que le spin-coating, réduisant ainsi les coûts de production.
- Flexibilité et légèreté : Les cellules solaires à base de pérovskites peuvent être fabriquées sur des substrats flexibles et légers, ce qui les rend adaptées à diverses applications, telles que les appareils portables, les textiles solaires et les bâtiments intégrés.
- Couplage en tandem avec d’autres cellules solaires : Les pérovskites peuvent être utilisées en tandem avec d’autres technologies solaires, comme le silicium, pour améliorer le rendement global. Les cellules tandem exploitent différentes parties du spectre solaire, permettant une utilisation plus efficace de la lumière solaire.
Inconvénients
- Stabilité à long terme : Les cellules solaires à base de pérovskites sont généralement moins stables que les cellules en silicium cristallin. L’humidité, la chaleur et les rayons ultraviolets peuvent dégrader les matériaux pérovskites, ce qui affecte leur durée de vie et leur performance.
- Toxicité du plomb : Les pérovskites les plus couramment utilisées contiennent du plomb, qui est un élément toxique. La toxicité du plomb pose des problèmes environnementaux et de santé lors de la fabrication, de l’utilisation et de l’élimination des cellules solaires.
- Échelle de production : Bien que les cellules solaires à base de pérovskites aient montré un potentiel considérable en laboratoire, il reste encore des défis à relever pour passer à une production à grande échelle. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour optimiser les techniques de fabrication et améliorer la stabilité des cellules.
- Réglementation et certification : Les cellules solaires à base de pérovskites doivent encore surmonter les obstacles réglementaires et obtenir les certifications nécessaires pour être largement adoptées sur le marché.
Comment sont produites les cellules solaires à base de pérovskite ?
La production de pérovskites pour les cellules solaires implique généralement la synthèse de précurseurs et la formation de films minces. Les matériaux pérovskites peuvent être synthétisés en utilisant diverses méthodes de dépôt:
- Méthode de la solution : La méthode de la solution est une approche couramment utilisée pour préparer des films minces de pérovskites. Dans ce processus, les précurseurs solubles sont dissous dans un solvant approprié pour former une solution. Cette solution est ensuite déposée sur un substrat, généralement par spin-coating, en faisant tourner le substrat à grande vitesse pour obtenir un film uniforme. Le film est ensuite séché et traité thermiquement pour former la structure cristalline de pérovskite.
- Méthode en une étape : Dans la méthode en une étape, les précurseurs de la pérovskite (A, B et X) sont dissous ensemble dans un solvant pour former une solution homogène. Cette solution est ensuite déposée sur un substrat et traitée thermiquement pour former le film de pérovskite. Bien que cette méthode soit simple, il peut être difficile de contrôler la formation de cristaux et la qualité du film.
- Méthode en deux étapes : La méthode en deux étapes implique la préparation de deux solutions séparées, l’une contenant le précurseur B et l’autre contenant le précurseur X. Le film B est d’abord déposé sur un substrat, puis la solution contenant le précurseur X est déposée sur le film B. Le traitement thermique ultérieur entraîne la formation de la structure de pérovskite. Cette méthode permet un meilleur contrôle de la cristallisation et de la qualité du film.
- Méthode de dépôt par évaporation : La méthode de dépôt par évaporation consiste à faire évaporer les précurseurs solides de la pérovskite sous vide et à les déposer sur un substrat chauffé. Cette technique permet un contrôle précis de l’épaisseur du film et une excellente homogénéité. Cependant, les équipements nécessaires pour cette méthode sont plus coûteux et complexes que ceux utilisés pour les méthodes de dépôt à partir de solutions.