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Le nouveau matériau solaire le plus excitant peut-il être à la hauteur de son battage médiatique ?
La pérovskite promet d'être moins chère et plus efficace que le silicium, et plusieurs entreprises affirment qu'elles sont sur le point de la produire à grande échelle.
29 juin 2021
Saule Technologies
Tester des cellules solaires à pérovskite en laboratoire nécessitait autrefois une bonne paire de chaussures de course. Les matériaux se sont désagrégés si rapidement que les scientifiques se sont précipités de l'endroit où ils fabriquaient les cellules à l'endroit où ils les testaient, essayant de mesurer leurs performances avant que les cellules ne se dégradent entre leurs mains, généralement en quelques minutes.
Pérovskites ont longtemps enchanté les chercheurs avec la promesse de produire des cellules solaires peu coûteuses et ultra-efficaces. Et maintenant, plusieurs entreprises font des progrès majeurs vers la production à grande échelle de cellules solaires commerciales à pérovskite.
Mais l'instabilité des matériaux a menacé de faire dérailler leur chemin vers les toits et les centrales électriques. Bien que quelques entreprises disent avoir relevé le défi, au moins assez bien pour commercialiser des produits préliminaires dans l'année, certains chercheurs sont encore sceptiques.
Les gens veulent que je dise 'Je sais avec certitude que cela va être stable, et que ça va être efficace et que nous allons conquérir le monde', dit Joseph Berry , qui dirige le programme de recherche sur la pérovskite au Laboratoire national des énergies renouvelables des États-Unis. Et une partie de moi y croit, mais une partie de moi en tant que scientifique dit : 'Je n'ai pas les données'.
Profiter du soleil
Les pérovskites sont des matériaux synthétiques, peu coûteux et relativement simples à produire même en grande quantité. Les pérovskites courantes utilisées dans le photovoltaïque sont généralement quelque chose comme l'halogénure de plomb de méthylammonium, mais la famille des pérovskites comprend des milliers de matériaux qui partagent la même structure cristalline. Enduits sur une base flexible, ils peuvent produire des cellules solaires à couches minces légères et pliables.
Si plusieurs nouveaux matériaux photovoltaïques ont vu le jour au cours des dernières décennies, aucun n'a vraiment ébranlé le marché, dominé par le silicium. On le trouve dans environ 95 % des cellules solaires existantes.
Certaines entreprises de pérovskite, comme Saule Technologies à Varsovie, tentent d'abandonner complètement le silicium. L'entreprise, fondée en 2014, a développé un procédé d'impression à jet d'encre pour la fabrication de cellules solaires en pérovskite enfermées dans un plastique souple. Un panneau contenant des cellules de Saule pèse environ un dixième du poids d'un panneau de silicium de même taille.
En mai, Saule a ouvert une usine qui peut produire environ 40 000 mètres carrés de panneaux par an. C'est suffisant pour générer environ 10 mégawatts d'électricité (certaines usines qui produisent des cellules au silicium sont des centaines de fois plus grandes).
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Ces cellules solaires flexibles nous rapprochent de l'abandon des combustibles fossiles Aucun matériau solaire n'a réussi à supplanter le silicium. Les pérovskites, qui sont beaucoup moins chères et peuvent être transformées en modules flexibles, pourraient changer cela.Bien que les pérovskites aient le potentiel d'atteindre des rendements élevés (le record du monde pour une cellule à pérovskite uniquement est d'un peu plus de 25 %), la plupart des cellules à pérovskite les plus performantes aujourd'hui sont minuscules - moins d'un pouce de large.
La mise à l'échelle rend plus difficile l'atteinte des limites d'efficacité potentielles. À l'heure actuelle, les panneaux de Saule, qui mesurent un mètre de large, atteignent environ 10 % d'efficacité. Ceci est éclipsé par les panneaux de silicium commerciaux de tailles similaires, qui atteignent généralement une efficacité d'environ 20%.
Olga Malinkiewicz , fondateur et directeur de la technologie de Saule, affirme que l'objectif de l'entreprise était de commercialiser une cellule solaire à base de pérovskite uniquement, et que les rendements inférieurs n'auront pas d'importance si la technologie est suffisamment bon marché.
Saule essaie d'aller là où les panneaux solaires en silicium ne vont pas : vers des toits qui ne peuvent pas supporter le poids de lourds panneaux vitrés, ou vers des applications plus spécialisées, telles que les stores à énergie solaire, que l'entreprise teste actuellement.
Alors que Saule lance des produits à couches minces pour des applications plus spécialisées, d'autres sociétés espèrent battre, ou du moins rejoindre, le silicium à son propre jeu. basé au Royaume-Uni PV d'Oxford incorpore des pérovskites dans des cellules combinées pérovskite-silicium .
Étant donné que le silicium absorbe la lumière vers l'extrémité rouge du spectre visible et que les pérovskites peuvent être réglées pour absorber différentes longueurs d'onde, le revêtement d'une couche de pérovskite au-dessus des cellules de silicium permet aux cellules combinées d'atteindre des rendements plus élevés que le silicium seul.
Les cellules combinées d'Oxford PV sont lourdes et rigides, comme les cellules au silicium uniquement. Mais comme elles ont la même taille et la même forme, les nouvelles cellules peuvent facilement s'insérer dans des panneaux pour des panneaux de toit ou des fermes solaires.
Oxford PV combine la pérovskite et le silicium pour créer des cellules solaires à haut rendement.
OXFORD PVCas Chris , directeur de la technologie d'Oxford PV, affirme que l'entreprise se concentre sur la réduction du coût actualisé de l'électricité, une mesure qui tient compte des coûts d'installation et de fonctionnement du système. Alors que la superposition de pérovskites sur le silicium augmente le coût de fabrication, il dit que le coût actualisé de la cellule combinée devrait chuter en dessous du silicium au fil du temps car ces nouvelles cellules sont plus efficaces. Oxford a établi plusieurs records mondiaux d'efficacité pour ce type de cellule au cours des dernières années, atteignant récemment 29,5 %.
Microquanta Semiconductor , une société chinoise de pérovskite basée à Hangzhou, s'inspire également des cellules solaires au silicium. L'entreprise fabrique des panneaux à partir de cellules rigides recouvertes de verre et fabriquées avec des pérovskites.
L'usine pilote de Microquanta a ouvert ses portes en 2020 et devrait atteindre 100 mégawatts de capacité d'ici la fin de l'année, selon Buyi Yan , directeur de la technologie de l'entreprise. La société a installé des panneaux de démonstration sur plusieurs bâtiments et fermes solaires à travers la Chine.
Résolution pour la stabilité
La stabilité des pérovskites s'est améliorée de quelques minutes à plusieurs mois en l'espace de quelques années. Mais la plupart des cellules au silicium installées aujourd'hui ont une garantie d'environ 25 ans, un objectif que les pérovskites ne sont peut-être pas encore en mesure d'atteindre.
Les pérovskites sont particulièrement sensibles à l'oxygène et à l'humidité, qui peuvent interférer avec les liaisons dans le cristal, empêchant les électrons de se déplacer efficacement à travers le matériau. Les chercheurs ont travaillé pour améliorer la durée de vie des pérovskites, à la fois en développant des recettes de pérovskites moins réactives et en trouvant de meilleures façons de les emballer.
Oxford PV, Microquanta et Saule disent tous avoir résolu le problème de stabilité, au moins assez bien pour vendre leurs premiers produits.
L'estimation des performances à long terme des cellules solaires se fait généralement par des tests accélérés, en plaçant les cellules ou les panneaux dans des conditions extrêmement stressantes pour simuler des années d'usure. La suite de tests la plus courante pour les cellules de silicium extérieures est une série appelée CEI 61215.
Oxford et Microquanta ont tous deux réussi les tests de cette série liés aux performances des cellules. Saule a réussi certains des tests, mais travaille toujours sur d'autres, comme le test d'humidité, dit Malinkiewicz.
Passer la série complète signifie généralement qu'un panneau solaire en silicium durera au moins 25 ans, bien que les chercheurs ne puissent pas être sûrs que la même corrélation soit vraie pour les nouveaux matériaux comme les pérovskites.
Oxford PV a passé au crible certains des milliers de composés qui composent la famille des pérovskites pour trouver des formulations plus stables. La société a refusé de divulguer les détails des performances, bien que Case affirme qu'ils s'attendent absolument à ce que leurs produits aient une durée de vie similaire à celle des cellules en silicium. La société a installé des panneaux de test sur un toit en Europe centrale en décembre 2019, et Case indique que jusqu'à présent, les panneaux contenant leurs cellules en couches de pérovskite présentent la même dégradation que les panneaux de silicium commerciaux qu'ils ont installés à des fins de comparaison.
Yan de Microquanta dit que la société a installé des cellules de test à l'extérieur en février 2020 qui atteignent toujours la même puissance de pointe aujourd'hui que lors de leur installation.
Microquanta fait la démonstration de ses panneaux solaires sur des bâtiments et dans des fermes solaires dans toute la Chine.
SEMI-CONDUCTEUR MICROQUANTAPour améliorer la stabilité de ses produits, Saule a apporté des modifications aux contacts métalliques de la cellule, ainsi qu'à la couche de pérovskite. La première génération de cellules de pérovskite enveloppées de plastique de Saule aura une garantie de performance minimale de 10 ans, a déclaré Malinkiewicz. Bien que les cellules en silicium durent plus longtemps, elle espère que le prix inférieur et la facilité d'installation convaincront les clients d'accepter une durée de vie plus courte.
Certains chercheurs ne sont pas convaincus par ces affirmations. Les problèmes de stabilité, pour autant que je sache, n'ont pas été très bien résolus, dit Létien Dou , chercheur en pérovskite à l'Université Purdue dans l'Indiana. Dou dit qu'il est difficile de dire ce que font ces entreprises car elles gardent leurs développements matériels secrets, bien qu'il ajoute que la réussite de tests externes comme la CEI 61215 est prometteuse.
Le laboratoire de Dou est l'un des nombreux qui ont récemment été sélectionnés pour recevoir un financement du Département américain de l'énergie pour tenter de résoudre certains des problèmes restants de la technologie. En mars 2021, le département a annoncé 40 millions de dollars en subventions pour soutenir la recherche sur les pérovskites, principalement pour des projets visant à améliorer la stabilité de ces matériaux et à faciliter leur fabrication.
Même si les cellules de pérovskite reçoivent plus de financement et d'attention, seul le temps dira si elles peuvent rivaliser ou coexister avec le silicium. Pourtant, les chercheurs sont optimistes quant à la perspective de fournir une énergie solaire moins chère et plus accessible. Les signes sont tous bons, dit Berry au National Renewable Energy Laboratory.
Et, ajoute-t-il, même après des années de recherche, les entreprises travaillant dans ce domaine devront encore accepter une certaine incertitude. Si vous voulez être à la pointe de la technologie, dit-il, vous devrez vivre avec un certain risque.