Les cellules solaires à pérovskite : avantages, défis et perspectives d'avenir

Table des matières

1. Introduction
2. Qu'est-ce que les cellules solaires à pérovskite ?
3. Avantages des cellules solaires à pérovskite
4. Défis techniques dans les applications pratiques des cellules à pérovskite
5. Derniers développements de la recherche sur les cellules solaires à pérovskite
6. Applications potentielles des cellules solaires à pérovskite
7. Conclusion

Introduction

Avec la demande mondiale croissante pour les énergies renouvelables, les cellules solaires à pérovskite ont attiré une attention considérable en tant que technologie photovoltaïque émergente. Ces cellules solaires de troisième génération, basées sur des matériaux à structure pérovskite, présentent un potentiel énorme grâce à leur haute efficacité, leur faible coût et leurs divers scénarios d'application. Cet article vise à offrir un aperçu complet des cellules solaires à pérovskite, couvrant leurs concepts de base, leurs avantages, les défis techniques, les derniers développements de la recherche et leurs applications potentielles, offrant aux lecteurs une compréhension approfondie de cette technologie prometteuse.

Qu'est-ce que les cellules solaires à pérovskite ?

Les cellules solaires à pérovskite sont un type de cellule solaire de troisième génération qui utilise des matériaux à structure pérovskite. Les pérovskites sont une classe de matériaux caractérisés par une structure cristalline spécifique, généralement représentée par la formule chimique ABX₃. Dans cette formule, 'A' et 'B' sont deux cations métalliques différents, et 'X' est un anion, formant ensemble un réseau cristallin unique. Dans le contexte des cellules solaires à pérovskite, 'A' et 'B' sont généralement composés de molécules organiques et de halogénures métalliques. Cette combinaison aboutit à des matériaux aux propriétés exceptionnelles d'absorption de la lumière et électroniques, faisant des cellules solaires à pérovskite une alternative prometteuse aux technologies photovoltaïques traditionnelles.

Avantages des cellules solaires à pérovskite par rapport aux cellules à base de silicium

Les cellules solaires à pérovskite offrent plusieurs avantages par rapport aux cellules traditionnelles à base de silicium, y compris les cellules PERC, TOPCon, IBC et HJT :

1. Haute efficacité : Les cellules solaires à pérovskite présentent des niveaux d'efficacité élevés. L'efficacité de conversion maximale théorique des cellules pérovskites à simple jonction peut atteindre jusqu'à 31 %, tandis que les cellules pérovskites à multi-jonctions peuvent atteindre des efficacités théoriques allant jusqu'à 45 %, surpassant largement la limite d'efficacité de 29,4 % des cellules à base de silicium.
2. Faible coût : Les matériaux pérovskites sont moins sensibles aux impuretés, permettant de produire des cellules avec une efficacité supérieure à 20 % en utilisant des matériaux pérovskites d'environ 90 % de pureté. En revanche, le silicium nécessite un niveau de pureté de 99,9999 % pour une utilisation efficace. De plus, la production des cellules solaires à pérovskite nécessite un investissement relativement moindre dans la chaîne d'approvisionnement industrielle, nécessitant seulement une seule usine par rapport aux quatre usines requises pour les cellules à base de silicium (matériau silicium, plaquette de silicium, cellule et module).
3. Large éventail d'applications : Les cellules solaires à pérovskite peuvent être fabriquées sous des formes flexibles et légères, les rendant adaptées à diverses applications, y compris les photovoltaïques intégrés au bâtiment (BIPV), les écrans flexibles, les vêtements portables, les tentes, les alimentations portables et autres dispositifs portables.
4. Excellente performance en conditions de faible luminosité : Les matériaux pérovskites peuvent fonctionner efficacement dans des environnements à faible luminosité, tels que par temps nuageux ou pendant l'aube et le crépuscule. Cela permet aux cellules solaires à pérovskite de maintenir de bonnes performances même dans des conditions d'éclairage sous-optimales, augmentant ainsi leur potentiel global de génération d'énergie.

Défis techniques dans les applications pratiques des cellules à pérovskite

Malgré leurs caractéristiques prometteuses, les cellules solaires à pérovskite font face à plusieurs défis techniques dans les applications pratiques :

1. Stabilité à long terme : La stabilité des matériaux pérovskites sous des facteurs environnementaux tels que l'humidité, la température et l'exposition à la lumière est un défi majeur. Les cellules solaires à pérovskite peuvent se dégrader lorsqu'elles sont exposées à ces conditions sur de longues périodes. Bien que les tests en laboratoire aient montré des durées de vie d'environ un an, cela reste inférieur par rapport aux cellules solaires en silicium. La normalisation des tests de stabilité est un axe de recherche actuel.
2. Équilibrer efficacité et stabilité : Augmenter l'efficacité de conversion des cellules solaires à pérovskite compromet souvent leur stabilité à long terme. Les cellules pérovskites à haute efficacité présentent parfois de mauvaises performances dans les tests de stabilité à long terme. Trouver l'équilibre optimal entre efficacité et stabilité est un objectif de recherche crucial.
3. Perte d'efficacité dans les applications de grande surface : L'uniformité et la densité des couches de pérovskite dans les applications de grande surface sont étroitement liées à la perte d'efficacité. Les petites cellules pérovskites produites en laboratoire peuvent atteindre une haute efficacité, mais cette efficacité peut diminuer lorsqu'on les passe à des applications plus grandes et pratiques.
4. Systèmes de matériaux non standardisés : La fabrication des cellules pérovskites implique divers choix de matériaux, et le système de matériaux n'est pas encore entièrement standardisé. Cela augmente l'incertitude et les coûts dans le processus de production. Différentes équipes de recherche peuvent utiliser différentes combinaisons de matériaux pérovskites, entraînant des variations dans les performances et les résultats de stabilité.
5. Incertitude dans les processus de cristallisation : Le processus de fabrication des cellules pérovskites implique des processus de cristallisation complexes, et les incertitudes dans ces processus peuvent affecter les performances et la stabilité des cellules. Différentes méthodes et conditions de cristallisation peuvent entraîner des variations significatives dans la qualité et les performances des films minces pérovskites.
6. Encapsulation et protection : Des techniques d'encapsulation efficaces sont nécessaires pour protéger les cellules pérovskites des facteurs environnementaux. Cela inclut la sélection de matériaux et de processus d'encapsulation adaptés pour protéger les cellules de l'humidité et de l'oxygène.

Dernières avancées dans la recherche sur les cellules solaires à pérovskite

En 2024, des progrès significatifs ont été réalisés dans la recherche sur les cellules solaires à pérovskite. Voici quelques-unes des principales avancées :

1. Laboratoire National pour l'Optoélectronique de l'Université de Wuhan (HUST) : L'équipe dirigée par Wei Chen et Zonghao Liu a publié une étude dans Nature démontrant l'utilisation d'un matériau de transport de trous hybride (HTM) à monocouche auto-assemblée pour améliorer l'efficacité des cellules solaires à pérovskite inversées. Ce matériau offre une ultra-humidité, une distribution uniforme à l'échelle nanométrique, une extraction rapide des porteurs et une faible recombinaison non radiative. Ces propriétés permettent un transport efficace des porteurs et une passivation des défauts à l'interface enterrée, améliorant considérablement la performance des dispositifs. Les cellules solaires à pérovskite inversées résultantes ont atteint une efficacité quasi-stationnaire de 26,54 %, certifiée par une institution tierce autorisée, surpassant le précédent record d'efficacité certifiée.
2. Université Tsinghua : L'équipe dirigée par Yichen Yi a développé un nouveau matériau de transport de trous (HTM-T2) combiné à des films minces de pérovskite déposés sous vide, atteignant une efficacité record mondiale de 26,41 % pour les cellules solaires à pérovskite. HTM-T2 peut être synthétisé à partir de matières premières commerciales à faible coût en quelques étapes, le rendant très adapté à la production de masse. L'équipe a également atteint une efficacité certifiée de 26,21 % pour les PSCs avec une surface de 0,1 cm² et de 24,88 % pour les PSCs avec une surface d'ouverture de 1,0 cm².
3. Institut de Chimie de l'Académie Chinoise des Sciences : L'équipe dirigée par Yongfang Li et Lei Meng a proposé une stratégie d'ingénierie d'oxydation localisée (LOE) pour contrôler et maintenir efficacement l'état d'oxydation approprié du SnO₂ dans la couche de transport d'électrons. En ajoutant du dichromate d'ammonium comme oxydant, ils ont compensé les excès de lacunes d'oxygène et formé une couche semi-conductrice p-type ultra-fine de Cr₂O₃ comme produit de réduction. La jonction p-n nanométrique Cr₂O₃/SnO₂ améliore l'extraction des charges et réduit la recombinaison non radiative à l'interface enterrée. Les cellules solaires à pérovskite basées sur α-FAPbI₃ avec cette ETL ont atteint une efficacité de conversion de l'énergie (PCE) de 25,72 % (efficacité certifiée de 25,41 %) et ont démontré une stabilité opérationnelle T90>700h sous une illumination continue de 1 soleil.
4. Université Jiao Tong de Shanghai : En mars 2024, une équipe de recherche a publié une étude dans Science montrant que leurs cellules solaires à pérovskite inversées ont maintenu 98,5 % de leur efficacité initiale après 1000 heures de stockage à 85 % d'humidité relative et 85 °C. De plus, ces cellules ont conservé 98,2 % de leur efficacité initiale après avoir fonctionné au point de puissance maximale pendant 1200 heures à 85 °C.

Ces développements mettent en évidence les progrès significatifs dans l'amélioration de l'efficacité, de la stabilité et de l'évolutivité des cellules solaires à pérovskite, les rapprochant ainsi de la viabilité pratique et commerciale.

Applications potentielles des cellules solaires à pérovskite

Les cellules solaires à pérovskite offrent un large éventail d'applications potentielles grâce à leurs avantages uniques, tels que leur haute efficacité, leur légèreté, leur flexibilité et leur semi-transparence. Voici quelques cas d'utilisation potentiels :

1. Photovoltaïque intégré aux bâtiments (BIPV) : Les cellules solaires à pérovskite peuvent être intégrées dans les matériaux de construction tels que les fenêtres, les façades en verre ou les toits, combinant esthétique et production d'énergie.
2. Sources d'énergie portables : Grâce à leur légèreté et à leur flexibilité, les cellules solaires à pérovskite peuvent être intégrées dans des appareils électroniques portables comme les smartphones, les tablettes et les vêtements connectés, offrant des capacités de recharge sans fil.
3. Intégration aux véhicules : Les cellules solaires à pérovskite peuvent être incorporées aux surfaces des véhicules, des drones et des vélos électriques, fournissant une puissance supplémentaire, augmentant l'autonomie ou réduisant la dépendance aux sources d'énergie externes.
4. Énergie hors réseau : Dans les zones reculées ou les pays en développement, les cellules solaires à pérovskite peuvent faire partie des systèmes d'énergie hors réseau, fournissant de l'électricité propre.
5. Applications photovoltaïques d'intérieur : En raison de leur forte absorption de la lumière, les cellules solaires à pérovskite peuvent générer de l'électricité même sous des conditions d'éclairage intérieur, ce qui les rend adaptées à l'éclairage intérieur et aux dispositifs à faible consommation d'énergie comme les capteurs.
6. Applications spatiales : La légèreté et la haute efficacité des cellules solaires à pérovskite les rendent idéales pour les applications spatiales, fournissant de l'énergie pour les satellites et autres engins spatiaux.
7. Agriculture : Les cellules solaires à pérovskite peuvent être utilisées dans les systèmes de surveillance et d'automatisation agricoles, tels que les contrôleurs d'irrigation, les stations météorologiques et les dispositifs de surveillance des cultures.
8. Militaire et défense : Grâce à leur haute efficacité et à leur portabilité, les cellules solaires à pérovskite peuvent être utilisées dans les équipements militaires et les drones de reconnaissance sans pilote, fournissant une alimentation fiable.
9. Électronique grand public : Les cellules solaires à pérovskite peuvent être intégrées dans divers produits électroniques grand public, tels que les liseuses, les enceintes portables et les montres numériques.
10. Secours en cas de catastrophe et intervention d'urgence : En cas de catastrophes naturelles ou d'urgences, les cellules solaires à pérovskite peuvent être rapidement déployées pour fournir une alimentation immédiate aux opérations de secours.

Ces divers scénarios d'application soulignent la polyvalence et le potentiel des cellules solaires à pérovskite, les positionnant comme une technologie transformatrice dans le secteur de l'énergie.

Conclusion

Les recherches et applications des cellules solaires à pérovskite progressent continuellement, offrant un potentiel infini pour le développement futur. Avec des percées technologiques en cours et une réduction continue des coûts, les cellules solaires à pérovskite sont prêtes à jouer un rôle significatif sur le marché photovoltaïque futur, contribuant à la transition énergétique mondiale et au développement durable. Nous attendons avec impatience la commercialisation à grande échelle des cellules solaires à pérovskite dans un avenir proche, apportant des solutions énergétiques plus propres et plus efficaces à l'humanité.

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Références :

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