Qu'est-ce qui freine l'adoption massive des cellules solaires en pérovskite ?

La particularité des cellules solaires pérovskites

Lescellules solaires à pérovskite sont une jeune catégorie de dispositifs photovoltaïques qui ont immédiatement attiré l'attention dans le domaine des énergies renouvelables. Elles tirent leur nom d'une structure cristalline commune à un grand nombre de minéraux. Ces nouvelles cellules absorbent fortement la lumière et la convertissent efficacement en électricité avec un rendement de conversion élevé. De nombreux groupes ont démontré des rendements de conversion d'énergie compétitifs, voire supérieurs, à ceux des cellules solaires traditionnelles au silicium. Ces cellules sont prometteuses en raison de la simplicité de leur composition chimique et du faible coût de leurs matériaux.

Ces cellules solaires ont suscité l'intérêt parce qu'elles offrent une nouvelle approche. Leurs propriétés permettent de les intégrer dans différents contextes. En laboratoire, les cellules solaires pérovskites ont été cultivées par traitement en solution à basse température. La même technique pourrait permettre l'impression rouleau par rouleau sur des substrats souples. Ce processus est similaire à l'impression de journaux, ce qui ouvre la voie à une production rentable. Dans de nombreux cas, ces cellules peuvent être fabriquées sur du plastique plutôt que sur du verre rigide. Cela ouvre la voie à de nombreuses applications, de l'énergie photovoltaïque intégrée aux bâtiments à l'électronique portable. Toutefois, il reste des défis à relever pour produire ces films de manière fiable à grande échelle.

Principaux avantages des cellules solaires pérovskites

Parmi de nombreux autres avantages, les cellules solaires pérovskites présentent plusieurs avantages uniques par rapport aux technologies de cellules solaires conventionnelles.

- Rendement élevé de conversion de l'énergie : Elles présentent un rendement de conversion équivalent à celui des cellules à base de silicium. Lors de certains essais en laboratoire, ces cellules ont atteint un rendement proche de 25 %.

- Faible coût de fabrication : Les méthodes de traitement des solutions et les techniques de rouleau à rouleau peuvent être utilisées au cours du processus de production. Ce procédé permet de réduire la consommation d'énergie et les déchets de matériaux par rapport à la fabrication de silicium à haute température.

- Conception souple et légère : Les couches minces et souples permettent de les inclure dans les matériaux de construction et l'électronique portable. Par exemple, les couches de pérovskite ont déjà été testées sur des fenêtres et des surfaces incurvées, ce qui montre à quel point elles peuvent s'adapter facilement à de nombreuses conditions uniques.

- Une absorption élevée et des propriétés de bande interdite accordables : Le matériau pérovskite peut être facilement conçu pour absorber une large gamme du spectre solaire. Cela améliore les performances dans différentes conditions d'éclairage.

Ces avantages ont permis aux chercheurs, aux investisseurs et aux entreprises de continuer à s'intéresser aux cellules solaires pérovskites. Elles offrent le type d'avantages que les technologies de cellules solaires traditionnelles ne peuvent parfois pas égaler. Leur impact potentiel est important si l'on considère la réduction des coûts de production et l'application des cellules dans divers scénarios.

Principaux défis liés à la mise à l'échelle des cellules solaires pérovskites

Malgré leurs avantages prometteurs, un certain nombre de difficultés entravent l'utilisation à grande échelle des cellules solaires pérovskites.

- Stabilité et durabilité : L'un des défis les plus discutés est que les cellules solaires à pérovskite se dégradent sous l'effet des contraintes environnementales. La présence d'humidité, de températures élevées et de rayons ultraviolets tend à raccourcir leur durée de vie. Le problème de la dégradation est similaire à ce qui se produit dans de nombreux matériaux sensibles qui n'ont pas atteint des niveaux de production matures.

- Toxicité du plomb : La plupart des cellules solaires pérovskites contiennent du plomb. Cela suscite des préoccupations environnementales et pose un risque en cas de fuite de plomb dans les écosystèmes. L'utilisation du plomb implique une prudence accrue lors de la production, du fonctionnement et du recyclage éventuel des cellules.

- Reproductibilité et uniformité : il est difficile de fabriquer des films de pérovskite de grande surface de même qualité. En laboratoire, les dispositifs plus petits donnent des résultats très prometteurs. Cependant, lorsque les chercheurs essaient de préparer des films plus grands et uniformes, ils présentent généralement des défauts et des variations de performance.

- Défis liés à la fabrication : L'intégration des cellules solaires en pérovskite dans les chaînes de fabrication existantes n'est pas une tâche facile. Les nouvelles procédures viables en laboratoire doivent être adaptées à la production industrielle. La constance des performances à grande échelle reste un défi de taille pour les fabricants.

Ces défis expliquent pourquoi les cellules solaires pérovskites, bien que prometteuses, n'ont pas encore atteint un large déploiement commercial. Chacun de ces points nécessite des recherches et des essais sérieux avant que la technologie ne quitte le laboratoire.

Obstacles technologiques et commerciaux

Le chemin vers l'adoption par le grand public est semé d'embûches techniques et commerciales.

- Progrès limités en matière de stabilité opérationnelle à long terme : Si les performances à court terme en laboratoire sont impressionnantes, les installations réelles exigent que les cellules solaires fonctionnent efficacement pendant des décennies. Il reste encore beaucoup à faire pour garantir la fiabilité à long terme.

- Problèmes liés à la mise à l'échelle du traitement des solutions pour les dispositifs de grande surface : Les procédés qui permettent d'obtenir un rendement élevé à petite échelle ne sont pas facilement extensibles à des panneaux beaucoup plus grands. Cette lacune constitue l'un des principaux obstacles pour les entreprises qui souhaitent investir dans la production à grande échelle.

- Compromis entre production à grande échelle, coût et performance : la performance doit être mise en balance avec le coût de production. Dans la pratique, les améliorations de la stabilité et de l'efficacité peuvent entraîner des coûts plus élevés. C'est cet équilibre important qui donnera aux cellules un avantage concurrentiel par rapport aux technologies établies.

- Manque d'infrastructure pour la commercialisation : Il n'existe pas encore de chaîne d'approvisionnement ou d'installation de production entièrement développée pour ces nouvelles cellules solaires. Cette lacune affecte le rythme auquel les cellules peuvent être intégrées dans les marchés solaires établis. Les industries et les investisseurs attendent une démonstration plus solide de la maturité technologique.

Ces défis expliquent pourquoi le monde universitaire et l'industrie avancent avec prudence dans le processus de commercialisation des cellules solaires pérovskites. Les progrès doivent être progressifs ; chaque défi doit être géré avec soin afin de renforcer la confiance dans la technologie.

Solutions et avancées potentielles

Il n'existe pas de réponse unique aux problèmes de mise à l'échelle des cellules solaires à pérovskite. Les chercheurs s'efforcent d'apporter diverses améliorations pour surmonter les difficultés.

Diverses techniques, comme l'encapsulation et les additifs, ont été mises en œuvre pour rendre la couche de pérovskite résistante à l'humidité et à la température. Par exemple, le film de protection protège les couches actives des contraintes environnementales.

- Des alternatives non toxiques aux pérovskites à base de plomb : Le remplacement du plomb par des éléments moins toxiques est en cours. Les premiers candidats utilisent de l'étain ou d'autres métaux. En général, ces solutions de remplacement de deuxième génération doivent maintenir une efficacité élevée, tout en garantissant une diminution considérable des risques pour l'environnement.

- Progrès dans les technologies d'impression et les techniques de fabrication évolutives : De nouvelles méthodes d'impression et de nouveaux procédés roll-to-roll sont en cours de perfectionnement. Plusieurs lignes pilotes ont montré qu'il est possible d'imprimer des dispositifs de grande surface avec des performances constantes.

- Pérovskites hybrides et cellules solaires en tandem : L'utilisation de pérovskites en conjonction avec d'autres matériaux en tandem a le potentiel de fournir à la fois une stabilité et des performances plus élevées. Certains prototypes démontrent déjà qu'il est possible d'atteindre ces objectifs en combinant les caractéristiques de différents matériaux par une approche en couches.

La recherche progresse régulièrement, chaque nouvelle étude rapprochant un peu plus les cellules solaires à pérovskite des critères techniques et commerciaux. Il s'agit d'un travail minutieux et réfléchi, qui permet de concilier l'innovation avec les considérations de sécurité et de coût. Pour plus d'informations sur les cellules solaires à pérovskite, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Questions fréquemment posées

F : Quel est le principal avantage des cellules solaires à pérovskite ?

Elles présentent l'avantage d'un rendement élevé et d'un faible coût, ce qui leur permet de trouver des applications dans divers domaines.

F : Quel est le plus grand défi à relever pour augmenter leur production ?

Assurer la stabilité et l'uniformité à long terme de la fabrication sur de grandes surfaces reste l'un des principaux défis.

F : Existe-t-il des moyens de réduire la toxicité du plomb dans les cellules en pérovskite ?

Q : Oui, des recherches sont en cours sur des solutions de remplacement non toxiques et des techniques de stabilisation afin de gérer les risques pour l'environnement.

Référence :

[1] Mahapatra, Apurba & Prochowicz, Daniel & Tavakoli, Mohammad & Trivedi, Suverna & Kumar, Pawan & Yadav, Pankaj. (2019). Une revue sur les aspects de l'ingénierie additive dans les cellules solaires à pérovskite. Journal of Materials Chemistry A. 8. 10.1039/C9TA07657C.