Panneaux solaires en pérovskite

Une substance connue des scientifiques depuis plus de cent ans, seulement aujourd'hui, au début du XXIe siècle, elle s'est avérée être un matériau très prometteur pour la production de cellules solaires bon marché et efficaces. La pérovskite, ou titanate de calcium, trouvée pour la première fois sous la forme d'un minéral par le géologue allemand Gustav Rosa dans les montagnes de l'Oural en 1839, et nommée d'après le comte Lev Alekseevich Perovsky, un glorieux homme d'État et collectionneur de minéraux, le héros de la guerre patriotique de 1812, s'est avéré être le candidat le plus approprié pour le rôle de l'alternative au silicium dans la production de cellules solaires.

En tant que substance, jusqu'à récemment, le titanate de calcium n'était largement utilisé que comme diélectrique pour les condensateurs céramiques multicouches. Et maintenant, ils essaient de l'appliquer pour construire des panneaux solaires très efficaces, car il s'est avéré que ce matériau absorbe parfaitement la lumière.

Ordinaire, long traditionnel panneaux solaires en silicium à une épaisseur de 180 microns, ils absorbent autant de lumière que la pérovskite absorbera à une épaisseur de seulement 1 micron. La pérovskite, tout comme le silicium, est un semi-conducteur, et il transfère la charge électrique de la même manière sous l'influence de la lumière, mais le spectre de la lumière convertie en électricité dans la pérovskite est plus large que celui du silicium.

La structure de la substance cristalline du titanate de calcium est identique à la structure du minéral de pérovskite, par conséquent, leur nom est le même. Et c'est cette substance qui est aujourd'hui à l'une des premières places du classement des voies d'optimisation de l'énergie solaire.

Le fait est que les panneaux solaires à base de silicium coûtent en moyenne 75 cents par 1 kW aujourd'hui, et les panneaux solaires à base de pérovskite réduiront leur coût à 10-15 cents par 1 kW, c'est-à-dire la technologie solaire de pérovskite en 5-7 fois moins cher que le silicium à la fois dans la production de batteries et dans leur fonctionnement, et la quantité d'électricité produite est la même.

Et cela malgré le fait que les analystes du secteur de l'énergie affirment que déjà à un coût de 50 cents pour 1 kW, l'énergie solaire devient compétitive avec les combustibles fossiles. Autrement dit, la transition vers la pérovskite à l'échelle mondiale réduira le coût de production d'électricité de plusieurs fois, tandis que le processus de production des panneaux eux-mêmes sera très simple.

Des études visant à évaluer et à améliorer l'efficacité des cellules solaires à base de pérovskite sont en cours dans de nombreux pays: en Australie, Martin Green, en Suisse, Michael Gretzel, aux États-Unis, Henry Saint, Felix Deshler, Leaming Day et en Corée, Sok Sang Il. Les chercheurs parlent d'une seule voix du faible coût et de l'efficacité élevée des technologies prometteuses.

Michael Gretzel fait valoir que son efficacité de 15% peut facilement être augmentée à 25%, et les cellules solaires bon marché des actuellement disponibles n'atteignent pas 15%. Pour la première fois, en 2009, alors qu'ils venaient de parler des possibilités d'utilisation de la pérovskite pour l'énergie solaire, une efficacité de 3,5% a été obtenue, et les cellules ont été de courte durée, puisque l'électrolyte liquide a dissous la pérovskite, et dès que les scientifiques ont eu le temps de mesurer, la batterie a cessé de fonctionner.

Cependant, après trois ans, l'électrolyte liquide a été remplacé par un électrolyte solide, et les cellules sont devenues plus stables, et l'efficacité a tout d'abord doublé, puis doublé à nouveau. Plusieurs couches de substrat électriquement conductrices, dont l'une était pigmentée, ont résolu le problème et ouvert la perspective. Les démarches pour améliorer l'efficacité ne s'arrêtent pas à ce jour, les scientifiques utilisent, entre autres, des méthodes d'optimisation standard qui ont permis d'améliorer les précurseurs de silicium.

Michael Gretzel est certain qu'une efficacité de 25% entraînera une révolution dans l'énergie solaire.Un professeur australien, Martin Green, l'un des pionniers de la recherche, affirme que les batteries sans silicium sont si simples à fabriquer et efficaces à utiliser qu'il est certain que l'avenir des panneaux solaires sur Perovskite est prometteur, car les estimations préliminaires prédisent déjà une énorme réduction de prix - à 7 fois.

Un groupe de chercheurs coréens, dirigé par Sok Sang Il, a développé sa propre formule en mélangeant du bromure d'ammonium de plomb avec de l'iodure de formamidine de plomb, les scientifiques ont atteint une telle structure de pérovskite qu'ils ont établi une efficacité record de 17,9%. L'utilisation du mélange permettra l'impression de cellules solaires et leur coût sera encore réduit. Le problème demeure - le matériau se dissout dans l'eau, en outre, la taille des cellules dans les tests n'a pas dépassé 10 mm2, donc les recherches se poursuivent.

Le processus de fabrication des cellules solaires à pérovskite semble assez simple aux chercheurs. Le liquide est simplement pulvérisé sur la surface ou appliqué sous forme de vapeur, ce qui est très simple à mettre en œuvre technologiquement. Plusieurs couches de matériaux sont appliquées sur une feuille métallique ou du verre, dont l'une est la pérovskite.

D'autres matériaux sont nécessaires ici pour faciliter le mouvement des électrons à l'intérieur de l'élément. Le processus de fabrication est proche de l'idéal. Le physicien de l'Université d'Oxford, Henry Saint, qui travaille au développement de cellules de pérovskite aux États-Unis, est convaincu que les couches du panneau solaire seront appliquées aussi facilement qu'avec une peinture ordinaire sur une surface.

Malgré les perspectives émergentes, les scientifiques étaient divisés en deux camps. Les premiers préconisent l'amélioration des batteries au silicium qui sont déjà devenues traditionnelles, tandis que les autres préconisent la création de batteries complètement nouvelles et plus efficaces. Ainsi, Martin Green pense que la pérovskite peut être utilisée comme complément aux batteries au silicium en combinant le silicium avec la pérovskite, et ainsi réduire le coût d'un watt d'électricité produit sans pertes significatives pour l'industrie du silicium. Michael Gretzel, au contraire, est convaincu que les nouveaux développements sont importants et que le coût de l'augmentation de l'efficacité des nouvelles photocellules sera payant à plusieurs reprises.

De nombreuses entreprises travaillent déjà sur la mise en œuvre commerciale du produit, car malgré le fait que les possibilités de la pérovskite commencent à peine à se réaliser, des experts de premier plan dans le domaine de l'énergie solaire ont déjà tourné leur attention vers l'avenir. Les entreprises australiennes et turques ont ensemble activement approché la commercialisation des panneaux solaires en pérovskite et, selon les prévisions, d'ici 2018, ils seront présentés sur le marché mondial.

Malgré l'optimisme de certaines entreprises, l'expérience montre qu'il faut généralement dix ans pour qu'une nouvelle technologie passe du laboratoire au marché, et pendant ce temps, les batteries au silicium pourraient bien dépasser la pérovskite. Soit dit en passant, Gretzel vend une licence de nouvelle technologie à des entreprises qui ont l'intention de suivre la voie traditionnelle du silicium.

La concurrence sur le marché de l'énergie solaire est également forte et chaque nouvel acteur y est confronté. Le coût des panneaux de silicium est réduit et, selon certains analystes, il peut chuter à 25 cents pour 1 kW, ce qui prive complètement les avantages de la technologie de la pérovskite.

La présence d'une petite quantité de plomb dans le pigment, qui est toxique, reste un problème. Des études expérimentales sont en cours qui révéleront à quel point la pérovskite est toxique. Il convient de prêter attention à l'élimination des batteries usagées, comme c'est le cas pour les batteries de démarrage. Mais en principe, l'étain ou quelque chose de similaire peut être utilisé à la place du plomb.

Pendant ce temps, des chercheurs de l'Ohio, dirigés par Leaming Dai, se sont mis à électrifier les voitures électriques à l'aide de panneaux solaires en pérovskite. Ils ont développé la combinaison la plus avantageuse de panneaux solaires avec des batteries de voiture électrique que jamais auparavant.

En connectant quatre batteries à pérovskite à une batterie au lithium, les scientifiques ont atteint une efficacité de 7,8% dans la configuration la plus efficace à ce jour, ce qui surpassait les solutions précédentes pour combiner des cellules solaires avec des supercondensateurs et des batteries.

Les panneaux multicouches ont augmenté la densité et la stabilité de l'énergie reçue du soleil. Des tests ont montré que trois couches de pérovskite sont transformées, si désiré, en un film. Avec une surface monocellulaire ne dépassant pas 10 mm2, les chercheurs ont atteint une efficacité de 12,65% d'un convertisseur de la taille d'une pièce, mais en tenant compte de la conversion et du stockage de l'énergie, l'efficacité était de 7,8% en mode cyclique.

De tels systèmes, selon les développeurs, pourront à l'avenir non seulement recharger les voitures électriques, mais seront également installés sous la forme d'un film flexible sur les carrosseries. La technologie semble idéale pour les véhicules électriques.

Remarquable est la capacité de réémission de la pérovskite. Un scientifique de l'Université de Cambridge, Felix Deschler, a découvert que la pérovskite a une propriété unique. Lorsque la lumière pénètre dans le matériau, l'énergie photonique n'est pas seulement convertie en électricité, une partie de la charge est reconvertie en photons.

Si le panneau peut réutiliser ces photons, alors l'énergie collectée deviendra encore plus grande. Le groupe de Deshler a mené une expérience dans laquelle le faisceau laser était concentré sur une section de pérovskite de 0,5 micron d'épaisseur et la lumière était réémise ailleurs dans l'échantillon. Le silicium, par exemple, n'a pas la capacité de transférer de l'énergie en lui-même et de l'émettre à nouveau.

Ainsi, les perspectives pour la pérovskite sont énormes, et qui sait, il se peut que ce soit à peu près au moment où chaque maison et chaque voiture seront équipées de batteries à la pérovskite, car cela deviendra économiquement non rentable et déconseillé de polluer l'environnement avec des produits de combustion de combustibles fossiles.