Les pérovskites (钙钛矿 en chinois) sont une classe remarquable de matériaux qui ont une croissance très forte sur la dernière décennie. Nous les retrouvons dans les cellules solaires, les diodes électroluminescentes, les lasers, les transistors et les dispositifs de mémoire. Examinons leur intérêt pour les panneaux solaires. (Cliquer sur l’i’mage pour détails)
Dans la recherche du meilleur composant photovoltaïque, il y a de nombreuses possibilités : silicium, germanium, tellurure de cadmium (CdTe), arséniure de gallium. On peut reconstruire à partir de ces matériaux des cellules qui absorbent une partie de la lumière du soleil.
Ces dernières années, c'est le silicium sous sa forme cristalline (c-Si) que nous retrouvons le plus dans la production des cellules photovoltaïques. Grâce aux évolutions des technologies (PERC, TOPCON…) nous approchons mais pouvons dépasser la valeur d'efficacité maximale théorique de 29 %.
On peut voir sur la fig. 1, en bleu, la plage de longueur d'onde absorbée par les panneaux solaires. On peut constater qu'une grande partie de l'énergie solaire n'est pas utilisée. Nous sommes limités ici car le silicium a une bande de valence fixe, et donc la plage de lumière qu'il peut absorber est limitée.
fig 1 absorption de la lumière par cSi
De plus, il faut une quantité très importante de silicium. C'est le deuxième élément en abondance sur la terre, mais chaque cellule fait environs 150 µm : à l'échelle des gigawatts qui sont produits, cela crée une demande de matériaux très importante.
Une alternative est le silicium amorphe (a-Si). Formé à partir du même élément (Si), ce silicium amorphe peut s’appliquer en couches très fines (2 µm). De façon pratique, une réduction de la quantité de composant permet de réduire le coût et d'améliorer l'efficacité.
Pour résoudre les problèmes de quantité et de longueur d'onde, les recherches se concentrent actuellement sur une structure particulière nommée pérovskite, en hommage à Lev Perovski, qui a découvert ce matériau au XIXe siècle.
Fig 2 structure des perovskites
Les pérovskites sont des éléments d’une structure cubique, présentés sur la fig. 2, et dont la formule chimique se résume à ABX3 avec :
- A : un cation de taille relativement grande, tel que le césium (Cs+), méthylammonium (CH3NH3+ noté MA) ou formamidinium (FA).
- B : un metal divalent comme le plomb ou étain (Pb ou Sn).
- X : un halogénure, comme le brome (Br) et l'iode (I).
Un choix précis des éléments A, B et X permet d'obtenir des matériaux avec des bandes de valence spécifiques. Cela a donc une application immédiate pour la production de lumière, ou bien ce qui est plus utile pour les panneaux solaires et les gammes de longueur d'onde de lumière qu’ils peuvent absorber.
À titre d'illustration, je présente sur la fig. 3 différents types de pérovskites et les lumières qu’ils peuvent émettre.
fig 3 lumière émisse par différent type de perovskite
Pour les cellules photovoltaïques, c'est le MAPbX3 (trihalide de plomb méthylammonium) qui est actuellement le plus utilisé: MAPbBr3 ou MAPbI3. La cellule à base de pérovskite se construit par application de couches minces sur un substrat (verre ou autre) et avec des couches dopées positivement et négativement : P et N, comme pour la cellule de silicium (c-Si).
Présentée de façon simplifiée (fig. 4), l’architecture commune des cellules photovoltaïques à base de perovskites est notée PiN ou NiP selon la face orientée vers la lumière: c’est cette dernière NiP qui est donne les meilleurs résultats. À noter que les couches P et N sont également nommées HTL et ETL (holes transport layer et electron transport layer). La cellule HJT (hétérojonction) est une déposition de couche mince a-Si ou pérovskite sur une cellule à base de silicium (c-Si).
Fig 4 structure de céllules.
La production de cellules à base de silicium et de pérovskite nécessite des appareillages différents, et donc des investissements supplémentaires pour l’industrie. Une astuce est alors de réaliser des empilements simples des technologies de cellules PN avec la cellule pérovskite sur sa base de verre : la structure sera nommée 4T (car il y a quatre connecteurs qui ressortent pour récupérer l'électricité produite).
Les problème de production résolut, on peut alors imaginer de façon schématique (fig. 5) des systèmes d'architecture multicouche, permettant d’absorber plusieurs plages de longueur d'onde de la lumière. Les 100% d’absorption du rayonnement solaire est donc (théoriquement) possible.
Fig 5 module du futur
Il reste cependant de nombreux problèmes techniques à régler avant de généraliser l’utilisation des pérovskites : ils ont une durée de vie limitée, environ un an, en comparaison aux 25 ans pour le silicium actuel.
L'encapsulation peut résoudre les problèmes causés par l'environnement (oxygène et humidité), mais les préoccupations les plus importantes proviennent des interfaces entre les couches de transport de charge (HTL et ETL) et le pérovskite, et enfin l'instabilité inhérente du matériau pérovskite. Les chercheurs actuels étudient donc différentes structures et doivent parfois faire des compromis entre durée de vie et efficacité.
Cependant, il n'existe aucun principe physique qui empêche les cellules solaires à pérovskite (PSC) d'atteindre à la fois une haute efficacité et une grande stabilité. Les facilités de production des perovskite à faible température et les coûts réduits induits par leur application par couches minces représentent une source suffisante pour inciter l'industrie à aller dans ce sens.
Gardons donc les pérovskites en vue pour les développements futurs.
sources:
fig 2: Solar Cells Types and Applications from Sandeep Arya, Prerna Mahajan
fig 3: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201910004
fig 1: https://qdsolarinc.com/technology/
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