Le pérovskite pour des cellules photovoltaïques très efficaces, faciles à produire et économiques…
L’article de ce jour s’appuie sur les recherches de l'Institut Weizmann qui travaille à la création de cellules photovoltaïques efficaces, faciles à produire et économiques. Même si l’année 2013 a vu le solaire photovoltaïque prendre la 1ère place en terme de puissance annuelle installée au niveau des énergies renouvelable et en fait une énergie compétitive, il n’en demeure pas moins qu’elle reste toutefois limitée en raison d’un coût élevé des panneaux et d’un relatif faible rendement.
Le secret de ces futurs panneaux solaires : le pérovskite. Ce matériau ressuscite l'espoir de voir l'énergie solaire finalement devenir une alternative crédible aux énergies fossiles pour la production d'électricité.
Il existe différentes sortes de panneaux solaires destinés à transformer le rayonnement solaire soit en énergie thermique soit en énergie électrique. Les panneaux solaires thermiques sont plus efficaces et plus rentables que les panneaux solaires photovoltaïques, qui ne sont compétitifs que dans les pays bénéficiant d'un fort ensoleillement et où l'électricité produite par d'autres moyens est chère.
A l'heure actuelle, 90% des cellules qui constituent les panneaux solaires photovoltaïques sont faites de silicium, un matériau peu coûteux et très abondant (c'est en effet l'élément le plus abondant de la croûte terrestre et qui est également le constituant principal du verre). Lorsqu'un photon (particule associée aux ondes électromagnétiques ayant une certaine énergie dépendant de la longueur d'onde affiliée) touche une cellule photovoltaïque, il provoque une rupture entre un atome de silicium et l'un de ses électrons : c'est l'effet photovoltaïque. Une différence de potentiel électrique est ainsi créée.
Cependant, ces cellules ne permettent pas une utilisation efficace de toutes les longueurs d'ondes. En effet, les longueurs d'onde les plus longues (les infrarouges) émises par la lumière solaire n'ont pas assez d'énergie pour entraîner un mouvement massif des électrons, tandis que les longueurs d'ondes les plus courtes (les ultraviolets) ont à l'inverse trop d'énergie pour agir sur les électrons et celle-ci se dissipe.
Les pérovskites montent en puissance :
Des recherches sont menées sur des matériaux autres que le silicium qui pourraient permettre une meilleure utilisation des photons de haute énergie (associés aux longueurs d'ondes courtes comme les ultraviolets). De telles cellules fourniraient plus d'électricité à partir d'une même surface. L'engouement pour les pérovskites (titanate de calcium CaTiTO3) a débuté en 2009 lorsque qu'un groupe de recherche dirigé par le Pr Tsutomu Miyasaka de l'Université de Yokohama (Japon) les a utilisés pour un nouveau type de cellules solaires dont l'efficacité était respectable mais très instable. Depuis, plusieurs groupes travaillent à l'amélioration de leur efficacité et de leur stabilité. Les professeurs David Cahen et Gary Hodes de d'Institut Weizmann ont tout de suite reconnu le potentiel de ce matériau pour fournir une cellule photovoltaïque économique donnant des tensions élevées par l'utilisation efficace des ultraviolets.
Quel est le secret de ces matériaux ?
Les travaux de ces chercheurs israéliens ont été publiés dans des revues aussi prestigieuses que Nature Communication ou Nano Letters. Ils ont contribué à élucider le secret des pérovskites pour fournir une tension élevée. Le secret résiderait dans la structure de ces cellules contenant à la fois des composés organiques (comportant des atomes de carbone et d'hydrogène) et inorganiques (plomb, bromure et iodure). C'est la façon dont tous ces composés s'assemblent qui rend les pérovskites si utiles pour les cellules photovoltaïques.
Tout comme les cellules de silicium, ces cellules forment une structure très ordonnée mais les interactions entre les pérovskites et les composés organiques sont faibles, ce qui permet aux électrons de se déplacer plus facilement de grain en grain et donc d'augmenter la différence de charge. Les pérovskites permettent ainsi l'utilisation des photons de haute énergie contrairement aux cellules de silicium. Conséquence ? La tension mesurée des cellules de pérovskites est de 1,5 V alors que la tension des cellules de silicium n'est que de 0,7 V (résultats publiés par le Pr Cahen et le Pr Hodes dans The Journal of Physical Chemistry Letters).
Leurs promesses et les obstacles :
Pour l'instant, peu de cellules photovoltaïques de pérovskites obtiennent 16% d'efficacité mais il est clair qu'elles pourront atteindre prochainement, voire surpasser les 20% d'efficacité. Lors des premiers essais, les résultats ont montré en moyenne 6% d'efficacité avec les pérovskites alors que les autres matériaux ne montrent en général que 1% d'efficacité. Cependant il reste des obstacles à franchir concernant notamment la stabilité dans le temps de ces cellules. De plus, ces cellules contiennent du plomb, ce qui pose un problème environnemental. Cet élément devra être substitué à terme par un autre élément si on ne peut pas s'assurer qu'il n'y a aucun risque de rejet dans l'environnement.
Malgré ces quelques obstacles, l'enthousiasme reste entier pour les Pr Cahen et Hodes. Leurs recherches devraient être "boostées" par une nouvelle collaboration avec le Pr Henry Snaith (Université d'Oxford), chercheur très reconnu dans le domaine, qui était récemment en visite à l'Institut Weizmann pour quelques jours.