Une cellule photovoltaïque à pérovskite est un type de cellule photovoltaïque dont la couche active est constituée d'un matériau de formule générale à structure pérovskite dans laquelle A est un cation, généralement de méthylammonium (MA), de formamidinium ou de césium , B est un cation d'étain ou de plomb , et X est un anion halogénure tel que chlorure , bromure ou iodure ..
Le rendement des cellules photovoltaïques utilisant ces matériaux est en constante augmentation depuis la fin des années 2000. Elle est passée de en 2009. à en 2019, et pour le tandem de pérovskite et de silicium, soit une efficacité supérieure aux cellules photovoltaïques à jonction p-n en silicium. Les cellules à pérovskites sont donc à ce jour la technologie solaire ayant connu le développement le plus rapide de l'histoire. Néanmoins, ces cellules souffrent de problèmes de vieillissement et de stabilité structurale à l'échelle du module. Cependant avec un potentiel encore important d'amélioration de la performance et des coûts de production faibles, les cellules à pérovskite sont devenues commercialement attractives. annonce en 2019 le lancement d'une ligne de production de cellules tandem pérovskite-silicium d'une capacité de .
Histoire
Les pérovskites sont connues depuis 1830, mais il a fallu attendre les travaux de Tsutomu Miyasaka pour découvrir leur potentiel pour la réalisation de cellules photovoltaïques. L'université d'Oxford et l'EPFL s'y intéressent alors également. En 2013, Olga Malinkiewicz, doctorante à l'Institut des sciences moléculaires (ICMol) de l'Université de Valence, Par rapport à la technologie à haute température utilisée jusqu'alors, cette découverte permet de mettre en place la production à l'échelle industrielle de cellules solaires à pérovskite. Perspectives économiques La technologie pourrait aboutir à des panneaux solaires à moindre cout compte tenu en particulier d'un mode de fabrication plus simple, mais pas forcément de meilleure qualité (rendement, durée de vie).
En 2023, plusieurs sociétés tentent d'industrialiser la production de cellules à pérovskite-silicium ou de cellules « tandem » comportant deux couches de pérovskite différentes conçues pour absorber différentes parties du spectre lumineux. Leur principal obstacle est le manque de stabilité des pérovskites, qui peut réduire leur durée de vie« Les cellules photovoltaïques pérovskite-silicium sont-elles l’avenir de l’énergie solaire ? », Pour la science, 12 janvier 2024..
Matériaux
vignette|Structure cristalline du triiodure de plomb méthylammonium (), l'un des halogénures de plomb méthylammonium les plus employés. Dans cette structure pérovskite, le cation méthylammonium est entouré par huit octaèdres ..
Les composés de formule générale , où A et B sont des cations et X un anion, produisent des pérovskites lorsque le rayon ionique de A est compris entre . Les halogénures de plomb méthylammonium sont parmi les pérovskites photovoltaïques les plus étudiées, notamment le triiodure de plomb méthylammonium , dans lequel le cation A est le méthylammonium , le cation B est le plomb et l'halogénure X est l'anion iodure , ou encore des halogénures mixtes tels que . Ces matériaux présentent une largeur de bande interdite de l'ordre de selon les halogènes qu'ils contiennent. Les trihalogénures de plomb formamidinium présentent également un intérêt photovoltaïque, avec une largeur de bande interdite de l'ordre de ; la largeur de bande interdite la plus faible de ces composés étant plus proche de l'optimum pour les cellules à jonction p-n que la largeur de bande interdite des composés à méthylammonium, cela devrait permettre de meilleurs rendements énergétiques.
Ces composés présentent l'inconvénient de contenir du plomb, qui est toxique et responsable du saturnisme en cas d'exposition aiguë ou chronique à cet élément. Des alternatives à l'étain ont été proposées, mais leurs performances restent très en retrait par rapport à leurs équivalents au plomb : en 2014, le rendement de l'iodure d'étain méthylammonium atteignait 6,4 %, celui de l'halogénure mixte atteignait 5,73 %, tandis que celui du triiodure d'étain césium atteignait 2,02 % et celui du triiodure d'étain formamidinium approchait 10 % en 2018. La difficulté vient du manque de stabilité de l'étain pour l'état d'oxydation +2 : il tend à s'oxyder en cation Sn, ce qui dégrade les propriétés électroniques du matériau par autodopage.
La première utilisation de pérovskites photovoltaïques dans des cellules solaires a été pour réaliser des cellules à pigment photosensible avec le triiodure d'étain césium comme couche absorbante de type p pour le transport des trous.
Physique
Estimation de l'efficacité limite
La structure en bandes des pérovskites étant réglable, elle peut être optimisée pour le spectre solaire, ces cellules sont donc capables d'atteindre la limite de Shockley-Queisser., qui est d'environ 31 % pour un spectre solaire AM1.5G à , pour une pérovskite ayant une largeur de bande interdite de .
Perspectives
Malgré certaines propriétés très intéressantes des cellules à pérovskites, des obstacles importants (stabilité, résistance à l'eau, à la température et aux UV solaires) ont longtemps subsisté, au profit des cellules en silicium qui dominent toujours le marché..
Par ailleurs, l'utilisation de plomb ou d'étain pour la fabrication de cellules à courte durée de vie pourraient présenter un obstacle à leur diffusion, du fait de la toxicité de ces matériaux..
Il reste donc à rendre ces cellules beaucoup plus stables. En 2017, dans la revue Nature Communications, une équipe de l'École polytechnique fédérale de Lausanne suggère que l'instabilité des cellules à pérovskites peut être surmontée grâce à certaines technologies à faible coût, permettant la fabrication de cellules ultra-performantes de confection peu coûteuse.. Ceci pourrait révolutionner le marché de l'énergie photovoltaïque, en faisant chuter les coûts tout en augmentant brutalement la productivité des panneaux.. Une étude germano-suisse parue en dans la revue Science montre que cette instabilité provient de la dégradation du contact entre le thiocyanate de cuivre(I) (CuSCN) et l’or durant l’activité des cellules solairesArora N, Dar M.I, Hinderhofer A, Pellet N, Schreiber F, Zakeeruddin S.M & Grätzel M (2017) Perovskite solar cells with CuSCN hole extraction layers yield stabilized efficiencies greater than 20%. Science, 0 Nov 2017 |10 octobre 2017|Vol. 358, Issue 6364, pp. 768-771 DOI: 10.1126/science.aam5655 (résumé).enerzine (2017) Record de stabilité pour des cellules en pérovskite à haut rendement, consulté le 13 novembre 2017.
Non seulement les chercheurs de l’EPFL ont développé une méthode simple de dépôt de couches enrobantes de 60 nm d’épaisseur de CuSCN (grâce à une évaporation accélérée du solvant), mais ils ont encore amélioré la stabilité des cellules pérovskite dopées au thiocyanate de cuivre (en le protégeant par une fine couche d’oxyde de graphène réduit)N. Arora et al., Science, vol. 358, pp. 768-771, 2017. Pour un rendement initial dépassant 20 % pour un film neuf, les modules n’ont alors perdu qu’un peu moins de 5 % de leurs performances lors du test de vieillissement consistant à les exposer à d’équivalent pleine lumière solaire, à 60 °C, c’est un nouveau record. Le thiocyanate de cuivre (CuSCN) est l’un des candidats les plus intéressants, car relativement stable, efficace et surtout très bon marché ( pour le spiro-OMeTAD qui est le plus utilisé). L’ajout d’une fine couche d’espacement en oxyde de graphène réduit entre les couches de CuSCN et une couche d’or a stabilisé les films solaires pérovskite, plus qu’avec les meilleures cellules solaires en pérovskite à base de organique).
En 2019, deux obstacles semblent pouvoir bientôt être contournés : 1) le besoin d'utiliser des polymères très coûteux, 2) le besoin d'ajouter une quantité infime de dopants à ces polymères, ce qui dégrade aussi la qualité de la couche de pérovskite dans les dispositifsZhang, M., Lyu, M., Yu, H., Yun, J. H., Wang, Q., & Wang, L. (2015). Stable and low‐cost mesoscopic CH3NH3PbI2Br perovskite solar cells by using a thin poly (3‐hexylthiophene) layer as a hole transporter. Chemistry–A European Journal, 21(1), 434-439 (résumé))Wang, Y., Yue, Y., Yang, X., & Han, L. (2018). Toward long‐term stable and highly efficient perovskite solar cells via effective charge transporting materials. Advanced Energy Materials, 8(22), 1800249.. Les premiers dopants testés étaient instables dans le temps, mais des produits plus stables ont été mis au pointYue, Y., Salim, N., Wu, Y., Yang, X., Islam, A., Chen, W., ... & Han, L. (2016). Enhanced Stability of Perovskite Solar Cells through Corrosion‐Free Pyridine Derivatives in Hole‐Transporting Materials. Advanced Materials, 28(48), 10738-10743.. En 2019, dans le journal Nature, Jung et al. rapportent une architecture pour une cellule solaire à pérovskite utilisant un polymère moins cher, et surtout ne nécessitant aucun agent dopant, et dont le rendement est très élevé (22,7%)Jung, E. H. et al. Nature 567, 511–515 (2019), cité par Liyuan Han (2019) dans un article intitulé Solar cells boosted by an improved charge-carrying material ; The commercialization of a promising class of solar cell has been hindered by issues associated with the components needed to construct it. A possible solution has now been reported, publié le mars 2019 dans Nature.
En 2020-2021, La Recherche a réussi à produire des cellules plus stables (par exemple grâce à un sel de pipéridinium (c'est-à-dire de pipéridine protonée) et des cellules ayant de très faibles pertes de tension (proche du minimum théorique) et une efficacité quantique interne proche de l'unité 9,10,11,12,13. Mais, leur transport de charge est encore médiocre (entre l'absorbeur de pérovskite et les électrodes de la cellule), ce qui limite leur facteur de remplissage (<83 %, en dessous de la limite de Shockley-Queisser d'environ 90 %), ce qui nuit à leur efficacité de conversion.
En 2022, Peng et ses collègues, présentent un nouveau processus de dopage inverse capable de produire des couches de transport d'électrons en oxyde de titane dopé à l'azote . Le rendement certifié en régime permanent était de 22,6 % pour une cellule de (23,33 % ± 0,58 % à partir d'un balayage courant inverse-tension).
Différence entre un panneau au silicium et un panneau pérovskite Il existe deux principales différences entre un panneau solaire au silicium et un panneau solaire pérovskite :
Le prix : La pérovskite est plus économe que le silicium. La fabrication d'un module en silicium étant beaucoup plus précise lors du processus de fabrication, les cellules pérovskites sont beaucoup moins chères à produire. Le rendement : La pérovskite peut améliorer l'efficacité de l'installation solaire et pourrait atteindre jusqu'à 30% de rendement (comparé à une installation classique de panneaux monocristallins et polycristallins qui atteignent un rendement d'environ 25%).
Cellules tandem La combinaison d'une cellule à pérovskite avec une autre technologie, typiquement le silicium, permet d'obtenir une cellule avec un rendement plus élevé sur une plage de longueur d'onde plus grande. Un rendement de 25,2 % a été ainsi obtenu en pour une cellule pérovskite-silicium, par des chercheurs de l'École polytechnique fédérale de Lausanne et du Centre suisse d'électronique et de microtechnique. Le même mois, la société Oxford PV annonce avoir atteint les 27,3 % pour ce même type de cellule.
En , l'Institut de microélectronique et composants a obtenu un rendement de conversion de 24,6 % avec une cellule pérovskite-CIGS.
En , le centre de recherche sur l'énergie néerlandais () parvient à obtenir un rendement de 30,2 % en utilisant une cellule pérovskite en combinaison avec une cellule à silicium biface issue de la production industrielle.
En Décembre 2020, Oxford PV annonce avoir atteint 29,52%, toujours avec une cellule pérovskite-silicium.