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Les cristaux contrôlés rendent pratique un nouveau matériau solaire
Une nouvelle façon de contrôler la croissance des matériaux cristallins appelés pérovskites pourrait conduire à des cellules solaires commerciales qui atteignent un point idéal de haute performance et à faible coût. Bien que les cellules de pérovskite individuelles aient obtenu des résultats prometteurs en laboratoire, jusqu'à présent, il n'était pas clair comment elles pourraient être fabriquées en lots uniformes.
Certaines pérovskites peuvent récolter l'énergie de la lumière du soleil de manière très efficace car elles absorbent fortement la lumière visible et infrarouge. Et contrairement aux films de silicium, qui sont fabriqués à des températures élevées, les films de pérovskite peuvent être fabriqués à partir d'une solution à des températures beaucoup plus basses. Il devrait être possible de fabriquer des cellules solaires en pérovskite en utilisant des méthodes peu coûteuses et à faible consommation d'énergie telles que l'impression.
Les premières cellules pérovskites ont été fabriquées en 2009, mais la mieux peut déjà convertir 17,9 % de l'énergie du soleil en électricité. Cela commence à être compétitif avec les cellules à couche mince commerciales comme le tellurure de cadmium et le silicium, dit Timothée Kelly , chimiste à l'Université de la Saskatchewan à Saskatoon, Canada.
Cependant, il s'est avéré difficile de fabriquer de manière cohérente des cellules solaires en pérovskite de haute qualité. Dans les lots fabriqués jusqu'à présent, il existe une grande variation dans l'efficacité avec laquelle les cellules individuelles peuvent convertir la lumière en électricité. Lorsque vous fabriquez 10 cellules de pérovskite différentes, vous obtenez 10 efficacités différentes, dit Prashant Kamat , chimiste à l'Université de Notre Dame dans l'Indiana. C'est frustrant.
Le problème est causé par la variation de la taille des cristaux dans différentes cellules. Pour les électrons d'une cellule solaire, les frontières entre les cristaux sont comme des murs, de sorte que les cristaux plus gros offrent moins d'obstacles au flux d'électricité. De nouvelles recherches publiées aujourd'hui dans la revue Nanotechnologie de la nature pourrait fournir un moyen de résoudre ce problème en montrant comment contrôler la croissance des cristaux de pérovskite.
La pérovskite en cours de développement pour les cellules solaires a une liste d'ingrédients qui comprend un hydrocarbure, de l'ammoniac, du plomb et de l'iode. Il existe de nombreuses pérovskites - le nom fait référence à la structure cristalline de ces matériaux - mais celle-ci est la plus prometteuse pour une utilisation dans les cellules solaires. Les cristaux sont fabriqués selon un processus en deux étapes qui commence par enduire une surface d'une solution d'iodure de plomb et la laisser sécher. Ensuite, la surface est recouverte d'une solution d'iodure de méthylammonium. Au fur et à mesure que cela sèche, les composés des deux couches se réunissent pour former des cristaux de pérovskite.
Michel Grätzel , a chemist at the École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland, and Parc Nam-gyu , un chimiste de l'Université Sungkyunkwan en Corée, ont maintenant élaboré une recette pour prendre le contrôle de ce processus. Ils ont découvert qu'en contrôlant soigneusement les concentrations des solutions de départ et d'autres conditions de traitement, ils pouvaient toujours fabriquer des films de pérovskite avec les cristaux plus gros nécessaires à une cellule solaire efficace.
Les groupes suisse et coréen ont utilisé ces méthodes pour fabriquer des cellules solaires en pérovskite avec une efficacité moyenne de 16,4% et très peu de variation d'efficacité entre les différentes cellules.
Park dit que maintenant qu'il est possible de fabriquer de la pérovskite de haute qualité de manière fiable, il est temps de traiter d'autres problèmes avec le matériau. La première est que l'humidité provoque la décomposition des matériaux et la fuite de méthylammonium. Park dit que les chercheurs doivent soit trouver un moyen de sceller les cellules solaires en pérovskite contre l'humidité, soit trouver de nouvelles versions des matériaux. Un autre problème est que les matériaux sont fabriqués à partir de plomb, qui est toxique.
Après avoir appris de ces matériaux, nous devrions passer à d'autres, car le plomb n'est pas inoffensif pour l'environnement, et ce matériau n'est pas stable, dit Mercouri Kanatzidis , chimiste à la Northwestern University dans l'Illinois. Lui et le scientifique des matériaux du nord-ouest Robert Chang ont développé une pérovskite sans plomb qui remplace l'étain. Il ne convertit actuellement que la lumière en énergie électrique avec une efficacité de 6 %. Mais ils sont tous les deux optimistes, soulignant la façon dont les matériaux à base de plomb se sont rapidement améliorés, passant d'environ 3 % en 2009 à environ 18 % aujourd'hui.
En attendant, Grätzel pense que les matériaux existants n'ont pas encore atteint leurs limites de performance supérieures. Je pense qu'une efficacité de 20% devrait être possible à court terme, dit-il.