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Les panneaux solaires atteignent leur limite. Ces cristaux pourraient changer cela.

by Les Actualites

Lorsque l’administration Biden a annoncé fin mars une initiative de 128 millions de dollars pour améliorer les coûts de l’énergie solaire, une part importante de l’argent a été consacrée à la recherche de matériaux portant le nom d’un obscur géologue et noble russe du XIXe siècle: Lev Perovski.

Parmi les projets répertoriés: 40 millions de dollars pour la recherche et le développement de matériaux dits pérovskites que les scientifiques utilisent pour repousser les limites de l’efficacité et de l’adaptabilité des cellules solaires.

Et bien que les pérovskites ne soient pas quelque chose de nouveau – ils ont été trouvés pour la première fois dans les montagnes de l’Oural en Russie en 1839, et ils sont relativement courants – leurs applications plus récentes dans la technologie de l’énergie solaire ont suscité l’espoir que les humains les utiliseront pour mieux exploiter les milliers de mégawatts de l’énergie du soleil qui tombe sur Terre toutes les heures.

«Les pérovskites, je dirais, sont l’une des opportunités les plus intéressantes pour les cellules solaires dans un avenir immédiat», a déclaré David Mitzi, professeur de génie mécanique et de science des matériaux à l’Université Duke, qui étudie les matériaux depuis les années 1990.

Toute nouvelle technologie d’énergie solaire devait concurrencer les cellules solaires au silicium, une technologie enracinée utilisée depuis plus de 50 ans, a déclaré Mitzi. Mais les pérovskites avaient le potentiel à la fois d’améliorer l’efficacité des cellules de silicium et peut-être de les concurrencer directement: «Je pense qu’il y a certainement des opportunités.»

L’efficacité n’est qu’une des caractéristiques. Les cellules pérovskite peuvent être facilement transformées en une variété de matériaux générateurs d’électricité, et à des températures beaucoup plus basses – et donc potentiellement à des coûts inférieurs – que les cellules en silicium. Mais la stabilité et la durabilité des cellules pérovskites devront être abordées avant de pouvoir remplacer entièrement le silicium.

Les scientifiques ont maintenant découvert toute une classe de matériaux de pérovskite qui partagent une structure spécifique, incorporant trois produits chimiques différents dans une forme de cristal cubique. Ils ont reconnu il y a des années que certaines pérovskites étaient des semi-conducteurs, comme le silicium utilisé en électronique. Mais ce n’est qu’en 2009 que les chercheurs ont découvert que les pérovskites pouvaient également être utilisées pour construire des cellules solaires, qui transforment la lumière du soleil en électricité utilisable.

Les premières cellules de pérovskite avaient des rendements très faibles, de sorte que la plupart de la lumière du soleil qui tombait sur eux n’était pas utilisée. Mais ils se sont rapidement améliorés.

«L’efficacité avec laquelle les cellules solaires contenant ces matériaux pérovskite convertissent la lumière du soleil en électrons a augmenté à un rythme vraiment incroyable, au point que maintenant les rendements sont proches de ceux des cellules solaires au silicium dans le laboratoire», a déclaré Lynn Loo, professeur. de génie chimique à l’Université de Princeton et le directeur du Centre Andlinger pour l’énergie et l’environnement. «C’est pourquoi nous sommes si enthousiastes à propos de cette classe de matériaux.»

Les cellules solaires en pérovskite peuvent également être fabriquées relativement facilement, contrairement aux cellules en silicium, qui doivent être raffinées à des températures très élevées et nécessitent donc beaucoup d’énergie. Les pérovskites peuvent être fabriquées sous forme de feuilles minces à basse température ou sous forme d’encres qui peuvent effectivement être «imprimées» sur des substrats d’autres matériaux, tels que des rouleaux flexibles de plastique.

Cela pourrait conduire à leur utilisation sur des surfaces où les cellules solaires en silicium ne seraient pas pratiques, comme les extérieurs de voitures ou de camions; ou ils peuvent même être imprimés sur du tissu pour alimenter l’électronique portable. Une autre possibilité consiste à appliquer des couches minces de pérovskites sur le verre des fenêtres, où elles laisseraient passer la majeure partie de la lumière tout en utilisant une partie de celle-ci pour produire de l’électricité.

Mais l’une des utilisations les plus prometteuses des cellules de pérovskite est de les combiner avec des cellules de silicium afin qu’elles utilisent plus d’énergie solaire que le silicium seul. Les meilleures cellules en silicium approchent de leur efficacité maximale théorique d’environ 29%. Mais les cellules de pérovskite peuvent être réglées pour générer de l’électricité à partir de longueurs d’onde de lumière que les cellules de silicium n’utilisent pas – et ainsi couvrir les cellules solaires de silicium avec des films semi-transparents de cellules de pérovskite pourrait surmonter cette limite fondamentale.

Le physicien Henry Snaith de l’Université d’Oxford, un chercheur de premier plan dans les cellules solaires à pérovskite, y voit un moyen de combiner la domination industrielle du silicium avec les avantages technologiques des pérovskites. Il pense que les cellules «tandem» de silicium et de pérovskite avec des rendements supérieurs à 40% pourraient être commercialement répandues d’ici 10 ans, et qu’elles pourraient bientôt être suivies par des cellules multicouches avec des rendements supérieurs à 50%.

Le potentiel des panneaux solaires en pérovskite a également attiré l’attention du gouvernement, ici et à l’étranger. En plus de créer de nouvelles opportunités commerciales pour les entreprises américaines, les pérovskites pourraient devenir un moyen relativement peu coûteux pour l’énergie solaire de défier les combustibles fossiles pour produire de l’électricité. «Je pense que beaucoup d’entre nous aspirent à ce que la technologie commence vraiment à résoudre certains des problèmes de changement climatique qui doivent être traités d’ici 2050», a déclaré le physicien Joe Berry, qui dirige la recherche sur les pérovskites solaires au National Renewable Energy Laboratory en Golden, Colorado.

Cependant, les cellules solaires pérovskite sont toujours confrontées à des problèmes, et l’un de ces problèmes est la question de la stabilité. En partie parce qu’elles sont faciles à fabriquer, les cellules de pérovskite se dégradent également rapidement à cause de l’humidité et de la chaleur. Certaines cellules pérovskites expérimentales sont restées stables pendant des dizaines de milliers d’heures, mais elles ont encore un long chemin à parcourir pour atteindre les 25 ou 30 ans d’utilisation des cellules de silicium, a déclaré Snaith.

Certains des matériaux de pérovskite les plus prometteurs pour l’énergie solaire contiennent également du plomb, qui peut être libéré dans l’environnement lorsque les cellules de pérovskite se dégradent. Les chercheurs étudient des alternatives aux pérovskites à base de plomb, telles que les pérovskites à base d’étain, et des structures cristallines similaires qui incorporent d’autres substances plus sûres.

«Je pense qu’il y a des défis à relever», a déclaré Loo. “Qu’il s’agisse [perovskites] joueront un rôle important dépend de notre capacité à surmonter ces défis. ”

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