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Les matériaux qui constituent les cellules solaires photovoltaïques n'absorbent qu'une partie du spectre de la lumière solaire. Ce qui limite leurs rendements. Mais des chercheurs de l'université de Californie à Berkeley (UC Berkeley) pourraient avoir trouvé une solution dans une technique nouvelle dite de la bande interdite graduelle. L'idée : combiner deux semi-conducteurs aux bandes interdites décalées afin de permettre à la cellule d'absorber un maximum de photons. Et si ces semi-conducteurs sont constitués de pérovskites, cette cellule pourrait en plus se révéler bon marché et facile à produire.
Un sandwich de pérovskites et de nitrure de bore
L'ennui, c'est que classiquement, lorsque deux pérovskites sont associées, leurs performances respectives ont tendance à se dégrader. Pour contourner le problème, les chercheurs de UC Berkeley ont employé la méthode du sandwich :
- La première pérovskite est composée de molécules organiques de méthyle et d'ammoniac et contient de l'étain et de l'iode. Elle absorbe préférentiellement les infrarouges et la chaleur.
- Une couche de nitrure de bore de seulement un atome d'épaisseur la sépare de la seconde pérovskite.
- La seconde pérovskite est composée des mêmes molécules organiques et d'iode, mais contient aussi du plomb et est dopée au brome. Elle absorbe ainsi des photons plus énergétiques du spectre visible.
Pour protéger le sandwich de l'humidité - car les pérovskites y sont particulièrement sensibles - : un aérogel de graphène. Et pour finir, des électrodes d'or et de nitrure de gallium. Résultat : une efficacité moyenne de 18,4 % avec des pics pouvant atteindre les 26 %. De quoi rivaliser d'ores et déjà avec les meilleures cellules au silicium du marché alors que les chercheurs promettent n'en être encore qu'aux tout premiers stades de leur développement.
La couche active de la cellule solaire imaginée par les chercheurs de UC Berkeley ne dépasse pas les 400 nanomètres d’épaisseur. Ici, l'électrode de nitrure de gallium en bleu, les deux pérovskites - en beige et en rouge - séparées par une couche de nitrure de bore en gris clair, l'aérogel de graphène en gris foncé et enfin, l'électrode d'or en jaune.
La couche active de la cellule solaire imaginée par les chercheurs de UC Berkeley ne dépasse pas les 400 nanomètres d’épaisseur. Ici, l'électrode de nitrure de gallium en bleu, les deux pérovskites - en beige et en rouge - séparées par une couche de nitrure de bore en gris clair, l'aérogel de graphène en gris foncé et enfin, l'électrode d'or en jaune.
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Pérovskites : des structures nanométriques au cœur de leurs performances
Les rendements des cellules solaires en pérovskite rivalisent aujourd'hui avec ceux des cellules classiques en silicium. Ces technologies nouvelle génération sont désormais des candidates de poids pour la production de panneaux photovoltaïques bon marché. L'été dernier, des chercheurs américains avaient pointé un détail de la structure nanométrique des pérovskites qui pourrait encore améliorer leurs performances. Et aujourd'hui, une autre équipe propose une explication à ces performances hors normes.
Les cellules solaires en pérovskite constituent une alternative séduisante aux cellules photovoltaïques en silicium. Car elles sont tout aussi, voire plus performantes et bien plus économiques à produire. Et plus encore en ce qui concerne les cellules à base de pérovskites hybrides, constituées à la fois de composés organiques et inorganiques. C'est ce qui a poussé des chercheurs de l'université de Columbia à s'intéresser à ces matériaux. Ils annoncent avoir compris le secret de leurs performances.
Ils ont pu observer, au cœur de cellules en pérovskites hybrides, un phénomène qui permet tout à la fois :
- de ralentir - de trois ordres de grandeur - les pertes d'énergie subies par les électrons au cours de leur voyage au cœur de la cellule
- de s'affranchir des impuretés qui peuvent se glisser dans le matériau.
Pour l'heure, les panneaux solaires restent fragiles et chers à fabriquer. Car la moindre impureté qui se glisse dans les cellules de silicium affecte dramatiquement son efficacité. Grâce aux pérovskites hybrides, un matériau imparfait produit à température ambiante et selon des procédés simples se transforme donc en semi-conducteur parfait susceptible de doubler l'efficacité d'une cellule solaire.
L'ennui, c'est que les pérovskites contiennent notamment du plomb qui pourrait à terme être libéré dans l'environnement. Grâce aux avancées des chercheurs de l'université de Columbia, il devrait devenir possible de s'inspirer de leur structure particulière pour imaginer des matériaux tout aussi efficaces, mais plus respectueux de l’environnement et de la santé humaine.
Des chercheurs de l’université de Columbia ont levé le voile sur les mécanismes qui président aux performances des cellules photovoltaïques à base de pérovskites hybrides. © Nicoletta Barolini, Columbia
Le secret de l'efficacité des pérovskites se cache dans leur structure
Des cellules solaires en pérovskites ? Les chercheurs y songent de plus en plus. D'autant que leurs rendements viennent désormais titiller ceux des classiques cellules photovoltaïques à base de silicium, qui plafonnent à quelque 25 % (même si les records vont au-delà). Grâce à une découverte de chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (États-Unis), les rendements de ces nouvelles cellules solaires pourraient même atteindre prochainement les 31 % !
Le secret d'une telle efficacité se cacherait dans la structure même de ces matériaux. Les pérovskites constituent en effet une famille de matériaux présentant une structure cristalline particulière. Elles ont l'avantage de pouvoir être mises en forme à température ambiante - contre 3.000 °C nécessaires pour le silicium - et à l'aide d'un procédé plutôt simple. De quoi afficher des coûts de production plus qu'intéressants. Ne reste plus qu'à améliorer leurs rendements.
Pour ce faire, les chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory, déjà familiers des performances macroscopiques de ces matériaux, ont choisi de s'intéresser au fonctionnement des pérovskites à l'échelle nanométrique. C'est à l'aide d'un microscope à force atomique que les chercheurs américains ont pu en apprendre plus sur la topographie de la surface d'une cellule solaire en pérovskite. Les images - obtenues sans friction et donc, sans risque d'endommagement ou d'artefacts - ont révélé une surface bosselée, composée de grains de quelque 200 nanomètres, chaque grain présentant de multiples facettes faisant penser à des pierres précieuses.
Sur cette image produite à l’aide d’un microscope à force atomique, on découvre des zones vertes symbolisant les facettes les plus efficaces des grains de pérovskites – délimités de noir – et des zones rouges, représentant les facettes les moins efficaces. © Berkeley Lab
Une efficacité record des cellules solaires grâce aux pérovskites ?
C'est lorsqu'ils ont décidé de tester séparément l'efficacité de conversion photovoltaïque de chaque facette de chaque grain que les chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory ont été le plus étonnés. En effet, certaines facettes se sont révélées particulièrement peu performantes alors que d'autres, parfois adjacentes, ont affiché des rendements proches de la limite théorique maximale des 31 %. Imaginez donc ce qui deviendrait possible si l'on parvenait à produire des grains de pérovskites qui ne présenteraient que des facettes efficaces !
Les résultats obtenus par les chercheurs américains montrent un ordre de grandeur de différence concernant la génération de photocourant - ce courant qui résulte de l'effet photovoltaïque - et jusqu'à 0,6 volt de différence de tension en circuit ouvert entre les facettes d'un même grain. Les grains présentant un photocourant élevé sont par ailleurs également ceux qui affichent les tensions en circuit ouvert les plus importantes.
Dans la pratique, les facettes se comportent comme des milliards de minuscules cellules solaires, toutes connectées entre elles. Celles dont les rendements sont les plus faibles affectent bien entendu négativement le rendement global de l'échantillon. Charge aux chercheurs désormais de produire des pérovskites ne présentant que des facettes efficaces, ou de réussir à déconnecter les facettes les moins efficaces afin d'éliminer les pertes qu'elles occasionnent
