Le prix des panneaux en silicium n’ayant cessé de baisser, nous en sommes arrivés au point où ils représentent un coût de construction de plus en plus faible pour une ferme solaire. Cela signifie qu’il pourrait être intéressant de dépenser plus pour obtenir un panneau qui convertit davantage de la lumière solaire entrante en électricité, car cela vous permet de tirer un meilleur parti du prix payé pour l’installation de chaque panneau. Mais les panneaux en silicium se heurtent déjà à des limites physiques en matière d’efficacité. Ce qui signifie que notre meilleure chance d’améliorer considérablement l’efficacité des panneaux pourrait être de combiner le silicium avec un matériau photovoltaïque supplémentaire.
À l’heure actuelle, l’accent est mis sur l’association du silicium avec une classe de matériaux appelés pérovskites. Les cristaux de pérovskite peuvent être superposés sur du silicium, créant ainsi un panneau avec deux matériaux qui absorbent différentes zones du spectre. De plus, les pérovskites peuvent être fabriquées à partir de matières premières relativement bon marché. Malheureusement, il est difficile de fabriquer des pérovskites à la fois très efficaces et qui durent aussi longtemps que la partie silicium.
De nombreux laboratoires tentent de changer cette situation. Deux d’entre eux ont fait état de progrès cette semaine, notamment un système pérovskite/silicium qui a atteint une efficacité de 34 %.
Améliorer la stabilité de la pérovskite
Les perovskites sont une classe entière de matériaux qui forment tous la même structure cristalline. Il existe donc une grande flexibilité en ce qui concerne les matières premières utilisées. Les panneaux photovoltaïques à base de perovskite sont généralement formés par ce que l’on appelle le traitement en solution, dans lequel toutes les matières premières sont dissoutes dans un liquide qui est ensuite déposé sur le panneau à fabriquer, ce qui permet aux cristaux de perovskite de se former sur toute sa surface. C’est une bonne chose, sauf que ce processus a tendance à former plusieurs cristaux avec des orientations différentes sur une seule surface, ce qui diminue les performances.
Les perovskites ne sont pas non plus particulièrement stables, ce qui complique encore les choses. Elles sont généralement constituées d’une combinaison d’ions chargés positivement et négativement, et ceux-ci doivent être présents dans les bonnes proportions pour former une perovskite. Cependant, certains de ces ions individuels peuvent se diffuser au fil du temps, perturbant ainsi la structure cristalline. La récupération de l’énergie solaire, qui implique que le matériau absorbe beaucoup d’énergie, aggrave la situation en chauffant le matériau, ce qui augmente le taux de diffusion.
Ces facteurs combinés sapent l’efficacité des cellules solaires à pérovskite et signifient qu’aucune d’entre elles ne dure aussi longtemps qu’une feuille de silicium. Les nouveaux travaux abordent ces questions sous deux angles très différents.
Le premier des nouveaux articles s’intéresse à la stabilité en utilisant la flexibilité des perovskites pour incorporer divers ions. Les chercheurs ont commencé par utiliser une technique appelée théorie de la fonctionnelle de la densité pour modéliser le comportement de différentes molécules lorsqu’elles sont placées dans un endroit normalement occupé par un ion chargé positivement. Et la modélisation les a enthousiasmés pour une molécule appelée tétrahydrotriazinium, qui possède un cycle à six atomes composé d’atomes de carbone et d’azote alternés. Le placement régulier des azotes autour du cycle lui permet de former des interactions régulières avec les atomes voisins dans la structure cristalline.
Le tétrahydrotriazinium a une charge neutre lorsque seulement deux des azotes sont liés à des hydrogènes. Mais il capte généralement un hydrogène chargé (en fait, un proton) hors de la solution, ce qui lui donne une charge nette positive. Cela laisse chacun de ses trois azotes associés à un hydrogène et permet à la charge positive d’être distribuée entre eux. Cela rend cette interaction incroyablement forte, ce qui signifie qu’il est extrêmement peu probable que les hydrogènes dérivent, ce qui stabilise également la structure cristalline.
Cela devrait donc rendre les perovskites beaucoup plus stables. Le seul problème ? Le tétrahydrotriazinium a tendance à réagir avec de nombreux autres produits chimiques, il est donc difficile de l’utiliser comme matière première pour la solution de formation de perovskite.