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Les cellules solaires imprimables ont juste un peu plus près
- Mar 02, 2017 -

Une nouvelle innovation pourrait rendre l'impression de cellules solaires aussi facile et peu coûteuse que l'impression d'un journal. Les chercheurs ont éliminé un obstacle de fabrication critique dans le développement d'une classe relativement nouvelle de dispositifs solaires appelés cellules solaires à pérovskite. Cette technologie solaire alternative pourrait conduire à des panneaux solaires imprimables à faible coût capables de transformer presque n'importe quelle surface en générateur de puissance.


«Les économies d'échelle ont grandement réduit le coût de fabrication du silicium», a déclaré le professeur Ted Sargent, expert en technologies solaires émergentes et titulaire de la Chaire de recherche du Canada en nanotechnologie. «Les cellules photovoltaïques à pérovskite peuvent nous permettre d'utiliser des techniques déjà établies dans l'industrie de l'imprimerie pour produire des cellules solaires à très faible coût.Peut potentiellement, les pérovskites et les cellules de silicium peuvent être mariées pour améliorer l'efficacité, mais seulement avec les progrès des procédés à basse température.

Aujourd'hui, pratiquement toutes les cellules solaires commerciales sont fabriquées à partir de fines tranches de silicium cristallin qui doivent être traitées avec une très grande pureté. C'est un processus énergivore, nécessitant des températures supérieures à 1 000 degrés Celsius et de grandes quantités de solvants dangereux.

En revanche, les cellules solaires pérovskites dépendent d'une couche de minuscules cristaux - chacun environ 1000 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain - faite de matériaux sensibles à la lumière et à faible coût. Parce que les matières premières de pérovskite peuvent être mélangées dans un liquide pour former une sorte d '«encre solaire», elles peuvent être imprimées sur du verre, du plastique ou d'autres matériaux en utilisant un simple procédé d'impression à jet d'encre.

Mais, jusqu'à maintenant, il y a eu un problème: pour produire de l'électricité, les électrons excités par l'énergie solaire doivent être extraits des cristaux afin qu'ils puissent circuler dans un circuit. Cette extraction se produit dans une couche spéciale appelée la couche sélective d'électrons, ou ESL. La difficulté de fabriquer un bon ESL a été l'un des principaux obstacles au développement des dispositifs à cellules solaires à pérovskite.

"Les matériaux les plus efficaces pour fabriquer des ESL commencent comme une poudre et doivent être cuits à des températures élevées, au-dessus de 500 degrés Celsius", a déclaré Tan. "Vous ne pouvez pas mettre cela sur une feuille de plastique souple ou sur une cellule de silicium entièrement fabriquée - il va juste fondre."

Tan et ses collègues ont développé une nouvelle réaction chimique qui leur permet de faire croître une ESL faite de nanoparticules en solution, directement au-dessus de l'électrode. Alors que la chaleur est toujours nécessaire, le processus reste toujours en dessous de 150 degrés C, beaucoup plus bas que le point de fusion de nombreux plastiques.

Les nouvelles nanoparticules sont recouvertes d'une couche d'atomes de chlore, ce qui les aide à se lier à la couche de pérovskite sur le dessus - cette liaison forte permet une extraction efficace des électrons. Dans un article publié récemment dans Science , Tan et ses collègues rapportent l'efficacité des cellules solaires fabriquées selon la nouvelle méthode à 20,1%.

"C'est le meilleur rapport pour les techniques de traitement à basse température", a déclaré Tan. Il ajoute que les cellules solaires à pérovskite utilisant l'ancienne méthode à haute température ne sont que légèrement meilleures à 22,1%, et même les meilleures cellules solaires au silicium ne peuvent atteindre que 26,3%.

Un autre avantage est la stabilité. De nombreuses cellules solaires à pérovskite subissent une baisse sévère des performances après seulement quelques heures, mais les cellules de Tan conservent plus de 90% de leur efficacité même après 500 heures d'utilisation. "Je pense que notre nouvelle technique ouvre la voie à la résolution de ce problème", a déclaré Tan, qui a entrepris ce travail dans le cadre d'une bourse Rubicon.

«Les études computationnelles de l'équipe de Toronto expliquent magnifiquement le rôle de la nouvelle couche sélective aux électrons, qui illustre la contribution rapide de la science des matériaux informatiques aux dispositifs énergétiques rationnels de la prochaine génération», a déclaré le professeur Alan Aspuru-Guzik. un expert en science des matériaux computationnelle au Département de chimie et de biologie chimique de l'Université Harvard, qui n'était pas impliqué dans le travail.

"Pour augmenter les meilleures cellules solaires au silicium, les technologies de couches minces de prochaine génération doivent être compatibles avec une cellule finie, ce qui implique des températures de traitement modestes, comme celles du groupe de Toronto dans Science ", a déclaré le professeur Luping Yu. le département de chimie de l'université de Chicago. Yu est un expert sur les cellules solaires traitées en solution et n'a pas été impliqué dans le travail.

Garder au frais pendant le processus de fabrication ouvre un monde de possibilités pour les applications de cellules solaires perovskite, à partir de couvertures de smartphones qui offrent des capacités de charge aux vitres teintées à l'énergie solaire qui compensent la consommation d'énergie du bâtiment. À plus court terme, la technologie de Tan pourrait être utilisée en tandem avec des cellules solaires conventionnelles.

«Grâce à notre procédé à basse température, nous pourrions recouvrir nos cellules de perovskite directement sur le silicium sans endommager le matériau sous-jacent», a déclaré Tan. "Si une cellule hybride pérovskite-silicium peut pousser l'efficacité jusqu'à 30 pour cent ou plus, elle fait de l'énergie solaire une proposition économique bien meilleure."