La caféine plonge la durabilité des cellules solaires à pérovskite. © fotoduets, Fotolia

Sciences

Des cellules photovoltaïques dopées à la caféine !

ActualitéClassé sous :physique , pérovskites , rendement d'une cellule solaire

Les cellules à pérovskite, filière très prometteuse du photovoltaïque, ont l'inconvénient de se dégrader rapidement sous l'effet de la chaleur. Un effet contrecarré par l'ajout de caféine lors de la fabrication, comme viennent de le découvrir par hasard des chercheurs de l'université de Californie.

25,2 % et peut-être même bientôt 30 %. C'est le rendement annoncé par des chercheurs de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL, Suisse). Un rendement obtenu grâce à une cellule solaire photovoltaïque à base de silicium, « tartinée » de pérovskite. Un rendement record pour une cellule dite à double jonction.

Quelques gouttes de café dans votre panneau solaire ? C'est l'idée de Rui Wang et ses collègues de l'université de Californie (Ucla) pour améliorer l'efficacité et la durabilité des cellules solaires hybrides organiques/inorganiques à pérovskite (PVSK). Ces dernières ont récemment émergé dans le monde du photovoltaïque, grâce à leurs multiples atouts. Peu coûteuses à produire, elles possèdent un coefficient d'absorption élevé et permettent de fabriquer des panneaux souples et légers, applicables sur de grandes surfaces, avec un taux de transparence et une teinte variable. En quelques années, leur rendement est passé de 3,8 % à 23,3 % et pourrait bientôt dépasser les 37 %.

Chaleur et ultraviolets, ennemis de la pérovskite

Mais ces nouvelles cellules souffrent d'un handicap majeur : elles se dégradent rapidement sous l'effet de l'humidité, de la chaleur et des ultraviolets. Plutôt gênant pour un panneau solaire. Plusieurs pistes ont été explorées pour remédier à cet inconvénient, comme l'encapsulation des cellules, l'ajout d'une surcouche d'oxyde de zinc ou même... une cure d’obscurité. Mais il existe peut-être une solution beaucoup plus simple, découverte par les chercheurs de l'Ucla qui ont publié leurs résultats le 25 avril dernier dans la revue Joule.

Les groupes carbonyle de la caféine se lient avec les atomes de plomb, ce qui ralentit le mouvement des ions dans le cristal de pérovskite et prévient sa dégradation. © Rui Wang et al, Joule, 2019

Tout a commencé par une plaisanterie à la machine à café. « Nous discutions de nos recherches sur les cellules solaires lorsque mon collègue Rui Wang a lancé : si la caféine booste notre énergie, pourquoi ne pourrait-elle pas faire de même pour le pérovskite ? », raconte Jingjing Xue, doctorant en science des matériaux à l'Ucla. Les chercheurs se sont en effet rappelé que la caféine est un alcaloïde dont les molécules interagissent avec les précurseurs de la pérovskite.

Un « verrou moléculaire » qui stabilise la pérovskite

Lors de la fabrication de la cellule, les molécules de caféine (1,3,7-trimethylxanthine) se lient avec deux atomes de plomb, ce qui agit comme un « verrou moléculaire » pour bloquer le cristal de pérovskite en phase amorphe. Le ralentissement de la cristallisation permet de supprimer des défauts structurels du cristal. Cette configuration facilite le transfert de charge à l'intérieur de la cellule, faisant passer son rendement de 17 % à 20,25 %. Surtout, ce verrou s'avère stable dans le temps, ce qui prévient la dégradation des cellules à haute température. Alors qu'en temps normal, les cellules PVSK perdent 60 % de leur efficacité au bout de 175 heures à une température de 85 °C, celles enrichies à la caféine se révèlent thermiquement stables pendant plus de 1.300 heures d'exposition.

Des films solaires pour téléphones portables

« La caféine pourrait faciliter la production à grande échelle des cellules en pérovskite », estime Rui Wang. Même si ces dernières n'auront sans doute jamais la même durée de vie que les cellules en silicium, elles pourraient équiper les téléphones, les ordinateurs portables ou même des voitures électriques, dont l'utilisation ne dépasse pas quelques années. Reste un épineux problème : quelle que soit leur configuration, les cellules en pérovskite contiennent du plomb, un matériau toxique pour l'Homme et l'environnement. Même si les quantités en jeu sont faibles, cela nécessitera une filière spécifique de recyclage.

  • Les cellules photovoltaïques à pérovskite se dégradent rapidement sous l’effet des ultraviolets et de la chaleur, ce qui entrave leur développement commercial.
  • Des chercheurs de l’université de Californie se sont aperçu que les molécules de caféine se liaient avec celles du plomb lors de la formation du cristal de pérovskite.
  • Les cellules dopées à la caféine ont ainsi une durée de vie prolongée et un rendement supérieur.
Pour en savoir plus

Cellules solaires photovoltaïques : des pérovskites pour plus d’efficacité

Article de Nathalie Mayer publié le 14/06/2016

Dans le monde des cellules solaires photovoltaïques, on trouve surtout des cellules à base de silicium. Mais depuis peu, également des cellules à pérovskites. Chacune présente ses atouts et ses limites. Et aujourd'hui, c'est en combinant les deux que des chercheurs ont atteint un record de rendement.

L'objectif de la cellule à double jonction, en effet, est de profiter des caractéristiques de deux cellules de nature différente pour maximiser la conversion des rayons lumineux en énergie électrique. Or en la matière, pérovskites et silicium sont complémentaires. Car les premières convertissent plus efficacement la lumière bleue ou verte et le second, la lumière rouge ou infrarouge.

Jusqu’alors, les cellules solaires photovoltaïques à double jonction silicium/pérovskite manquaient d’efficacité, car les pyramides que l’on trouve sur les cellules silicium devaient être aplanies avant dépôt de la cellule pérovskite. Le tout au détriment de leurs propriétés optiques. © EPFL

Une mise à jour des technologies existantes

Mais lorsque l'on sait que la surface d'une cellule silicium se présente sous la forme d'une succession de pyramides d'environ cinq microns, on imagine qu'il est difficile d'y déposer une couche uniforme de pérovskite. Pour dépasser cette difficulté, les chercheurs de l'EPFL ont d'abord recouvert l'ensemble, par évaporation, d'une couche inorganique poreuse. Puis ils ont procédé par dépôt de couche mince pour ajouter une solution organique liquide. Enfin, ils ont chauffé le substrat à quelque 150 °C seulement pour cristalliser une couche homogène de pérovskite.

« Il ne s'agit pas d'une nouvelle technologie solaire en soit, mais bien d'une mise à jour des lignes de production des cellules à base de silicium », explique Christophe Ballif, directeur du laboratoire de photovoltaïque de l'EPFL. De quoi, même si la commercialisation ne semble pas être pour demain, espérer des coûts de production limités.


Les cellules solaires photovoltaïques en pérovskites toujours plus efficaces

Dans le secteur du solaire photovoltaïque, la course à la performance fait rage. Et les pérovskites pourraient bien coiffer le silicium au poteau. Grâce notamment à une avancée réalisée par une équipe de chercheurs américains. Leur cellule en forme de sandwich affiche des performances record !

Article de Nathalie Mayer paru le 11/11/2016

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.

----------

Pérovskites : des structures nanométriques au cœur de leurs performances

Mise à jour du 30/09/2016 par Nathalie Mayer

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

Article initial de Nathalie Mayer, paru le 11/07/2016

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.

Abonnez-vous à la lettre d'information La quotidienne : nos dernières actualités du jour.

!

Merci pour votre inscription.
Heureux de vous compter parmi nos lecteurs !

Cela vous intéressera aussi

Des panneaux solaires pour voyager toujours plus loin dans l’espace  Les panneaux photovoltaïques équipent la grande majorité des satellites. Avec l’aide du Soleil, ils permettent de recharger les batteries des sondes et orbiteurs jusqu’aux confins du Système solaire. Retour en vidéo sur une technologie qui a plus de 60 ans et ne cesse de se perfectionner.