Cellules solaires en pérovskite de 30 ans et nouvelle approche pour les tester à long terme

Autrefois considérée comme éphémère, une nouvelle technologie solaire prouve sa puissance durable

Une classe émergente de technologie d’énergie solaire, fabriquée avec des semi-conducteurs pérovskites, a franchi le cap tant recherché d’une durée de vie de 30 ans. Les chercheurs de Princeton Engineering qui ont conçu le nouvel appareil ont également révélé une nouvelle méthode pour tester les performances à long terme, un obstacle majeur sur la voie de la commercialisation. 1 crédit

Les chercheurs de Princeton Engineering ont développé la première cellule solaire en pérovskite avec une durée de vie commercialement viable, marquant une étape majeure pour une classe émergente de technologie d’énergie renouvelable. L’équipe prévoit que leur appareil peut fonctionner au-dessus des normes de l’industrie pendant environ 30 ans, bien plus que les 20 ans utilisés comme seuil de viabilité pour les cellules solaires.

L’appareil n’est pas seulement très durable, il répond également aux normes d’efficacité courantes. C’est la première du genre à rivaliser avec les performances des cellules à base de silicium, qui dominent le marché depuis leur introduction en 1954.

Les pérovskites sont des semi-conducteurs avec une structure cristalline spéciale qui les rend bien adaptés à la technologie des cellules solaires. Ils peuvent être fabriqués à température ambiante, en utilisant beaucoup moins d’énergie que le silicium, ce qui les rend moins chers et plus durables à produire. Et tandis que le silicium est rigide et opaque, les pérovskites peuvent être rendues flexibles et transparentes, étendant l’énergie solaire bien au-delà des panneaux emblématiques qui peuplent les collines et les toits à travers l’Amérique.

Mais contrairement au silicium, les pérovskites sont notoirement fragiles. Les premières cellules solaires à pérovskite (PSC), créées entre 2009 et 2012, ne duraient que quelques minutes. La durée de vie prévue du nouvel appareil représente une augmentation de cinq fois par rapport au record précédent, établi par un PSC à faible efficacité en 2017. (Cet appareil fonctionnait sous un éclairage continu à température ambiante pendant un an. Le nouvel appareil fonctionnerait pendant cinq ans sous conditions de laboratoire similaires.)

L’équipe de Princeton, dirigée par Lynn Loo, professeur d’ingénierie Theodora D. ’78 et William H. Walton III ’74, a révélé son nouvel appareil et sa nouvelle méthode pour tester de tels appareils dans un article publié le 16 juin dans La science.

Loo a déclaré que la conception record a mis en évidence le potentiel durable des PSC, en particulier en tant que moyen de pousser la technologie des cellules solaires au-delà des limites du silicium. Mais elle a également souligné au-delà du résultat principal la nouvelle technique de vieillissement accéléré de son équipe comme la signification plus profonde du travail.

“Nous avons peut-être le record aujourd’hui”, a-t-elle déclaré, “mais quelqu’un d’autre viendra avec un meilleur record demain. Ce qui est vraiment excitant, c’est que nous avons maintenant un moyen de tester ces appareils et de savoir comment ils fonctionneront dans le futur. long terme.”

En raison de la fragilité bien connue des pérovskites, les tests à long terme n’ont pas été très préoccupants jusqu’à présent. Mais à mesure que les appareils s’améliorent et durent plus longtemps, tester une conception par rapport à une autre deviendra crucial pour déployer des technologies durables et conviviales.

“Ce document sera probablement un prototype pour quiconque cherche à analyser les performances à l’intersection de l’efficacité et de la stabilité”, a déclaré Joseph Berry, chercheur principal au National Renewable Energy Laboratory, spécialisé dans la physique des cellules solaires et qui n’était pas impliquées dans cette étude. “En réalisant un prototype pour étudier la stabilité, et en montrant ce qui peut être extrapolé [through accelerated testing], il fait le travail que tout le monde veut voir avant de commencer les tests sur le terrain à grande échelle. Cela vous permet de projeter d’une manière vraiment impressionnante.”

Alors que l’efficacité s’est accélérée à un rythme remarquable au cours de la dernière décennie, a déclaré Berry, la stabilité de ces appareils s’est améliorée plus lentement. Pour qu’ils se généralisent et soient déployés par l’industrie, les tests devront devenir plus sophistiqués. C’est là qu’intervient le processus de vieillissement accéléré de Loo.

“Ces types de tests vont être de plus en plus importants”, a déclaré Loo. “Vous pouvez fabriquer les cellules solaires les plus efficaces, mais peu importe si elles ne sont pas stables.”

Autrefois considérée comme éphémère, une nouvelle technologie solaire prouve sa puissance durable

Examiner une cellule solaire en pérovskite hautement stable sous grossissement au cours d’un processus de vieillissement accéléré qui aide les chercheurs à prévoir la durée de vie prolongée des conceptions avancées. 1 crédit

Comment ils sont arrivés ici

Au début de 2020, l’équipe de Loo travaillait sur diverses architectures d’appareils qui maintiendraient une efficacité relativement élevée – convertissant suffisamment de lumière solaire en énergie électrique pour les rendre utiles – et survivraient à l’assaut de la chaleur, de la lumière et de l’humidité qui bombardaient une cellule solaire pendant sa durée de vie.

Xiaoming Zhao, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Loo, avait travaillé sur un certain nombre de conceptions avec des collègues. Les efforts ont superposé différents matériaux afin d’optimiser l’absorption de la lumière tout en protégeant les zones les plus fragiles de l’exposition. Ils ont développé une couche de recouvrement ultra-mince entre deux composants cruciaux : la couche de pérovskite absorbante et une couche porteuse de charge à base de sel cuivrique et d’autres substances. L’objectif était d’empêcher le semi-conducteur pérovskite de s’épuiser en quelques semaines ou mois, la norme à l’époque.

Il est difficile de comprendre à quel point cette couche de recouvrement est fine. Les scientifiques utilisent le terme 2D pour le décrire, c’est-à-dire deux dimensions, comme dans quelque chose qui n’a aucune épaisseur. En réalité, il ne s’agit que de quelques atomes d’épaisseur, plus d’un million de fois plus petit que la plus petite chose qu’un œil humain puisse voir. Bien que l’idée d’une couche de recouvrement 2D ne soit pas nouvelle, elle est toujours considérée comme une technique prometteuse et émergente. Les scientifiques du NREL ont montré que les couches 2D peuvent grandement améliorer les performances à long terme, mais personne n’avait développé un appareil qui poussait les pérovskites près du seuil commercial d’une durée de vie de 20 ans.

Zhao et ses collègues sont passés par des dizaines de permutations de ces conceptions, déplaçant des détails infimes dans la géométrie, variant le nombre de couches et essayant des dizaines de combinaisons de matériaux. Chaque design est entré dans la boîte à lumière, où ils pouvaient irradier les appareils sensibles dans une lumière vive incessante et mesurer leur baisse de performance au fil du temps.

À l’automne de cette année-là, alors que la première vague de la pandémie s’est calmée et que les chercheurs sont retournés dans leurs laboratoires pour s’occuper de leurs expériences dans des équipes soigneusement coordonnées, Zhao a remarqué quelque chose d’étrange dans les données. Un ensemble d’appareils semblait encore fonctionner près de son efficacité maximale.

“Il n’y a eu pratiquement aucune baisse après près de six mois”, a-t-il déclaré.

C’est à ce moment-là qu’il a réalisé qu’il avait besoin d’un moyen de tester son appareil plus rapidement que ne le permettait son expérience en temps réel.

“La durée de vie que nous voulons est d’environ 30 ans, mais vous ne pouvez pas prendre 30 ans pour tester votre appareil”, a déclaré Zhao. “Nous avons donc besoin d’un moyen de prédire cette durée de vie dans un délai raisonnable. C’est pourquoi ce vieillissement accéléré est très important.”

La nouvelle méthode de test accélère le processus de vieillissement en éclairant l’appareil tout en le soufflant de chaleur. Ce processus accélère ce qui se passerait naturellement après des années d’exposition régulière. Les chercheurs ont choisi quatre températures de vieillissement et mesuré les résultats sur ces quatre flux de données différents, de la température de référence d’une journée d’été typique à un extrême de 230 degrés Fahrenheit, supérieur au point d’ébullition de l’eau.

Ils ont ensuite extrapolé à partir des données combinées et prévu les performances de l’appareil à température ambiante sur des dizaines de milliers d’heures d’éclairage continu. Les résultats ont montré un appareil qui fonctionnerait au-dessus de 80% de son efficacité maximale sous un éclairage continu pendant au moins cinq ans à une température moyenne de 95 degrés Fahrenheit. En utilisant des mesures de conversion standard, Loo a déclaré que c’était l’équivalent en laboratoire de 30 ans d’exploitation en extérieur dans une région comme Princeton, NJ.

Berry de NREL était d’accord. “C’est très crédible”, a-t-il déclaré. “Certaines personnes voudront toujours le voir se jouer. Mais c’est une science beaucoup plus crédible que beaucoup d’autres tentatives de prévision.”

Autrefois considérée comme éphémère, une nouvelle technologie solaire prouve sa puissance durable

Une gamme de conceptions de cellules solaires en pérovskite sont placées sous une lumière vive à des températures élevées au cours d’un processus de vieillissement et de test accéléré développé par les chercheurs de Princeton Engineering. La nouvelle approche de test marque une étape majeure vers la commercialisation de cellules solaires avancées. 1 crédit

Le Michael Jordan des cellules solaires

Les cellules solaires à pérovskite ont été lancées en 2006, suivies des premiers appareils publiés en 2009. Certains des premiers appareils n’ont duré que quelques secondes. D’autres minutes. Dans les années 2010, la durée de vie des appareils est passée à des jours, des semaines et enfin des mois. Puis, en 2017, un groupe suisse a publié un article révolutionnaire sur un PSC qui a duré une année complète d’éclairage continu.

Pendant ce temps, l’efficacité de ces appareils a monté en flèche au cours de la même période. Alors que le premier PSC a montré une efficacité de conversion de puissance inférieure à 4%, les chercheurs ont presque décuplé cette métrique en autant d’années. Il s’agissait de l’amélioration la plus rapide que les scientifiques aient vue dans n’importe quelle classe de technologie d’énergie renouvelable à ce jour.

Alors pourquoi pousser les pérovskites ? Berry a déclaré qu’une combinaison d’avancées récentes les rend particulièrement désirables : des rendements nouvellement élevés, une “accordabilité” extraordinaire qui permet aux scientifiques de faire des applications très spécifiques, la capacité de les fabriquer localement avec de faibles apports énergétiques, et maintenant une prévision crédible de durée de vie prolongée couplée avec un processus de vieillissement sophistiqué pour tester un large éventail de conceptions.

Loo a déclaré que ce n’est pas tant que les PSC remplaceront les dispositifs au silicium que la nouvelle technologie complétera l’ancienne, rendant les panneaux solaires encore moins chers, plus efficaces et plus durables qu’ils ne le sont actuellement, et étendant l’énergie solaire à de nouveaux domaines inédits de la vie moderne. Par exemple, son groupe a récemment démontré un film de pérovskite complètement transparent (ayant une chimie différente) qui peut transformer les fenêtres en dispositifs de production d’énergie sans changer leur apparence. D’autres groupes ont trouvé des moyens d’imprimer des encres photovoltaïques à l’aide de pérovskites, permettant aux scientifiques de créer des facteurs de forme seulement maintenant.

Mais le principal avantage à long terme, selon Berry et Loo : les pérovskites peuvent être fabriquées à température ambiante, alors que le silicium est forgé à environ 3000 degrés Fahrenheit. Cette énergie doit provenir de quelque part, et pour le moment cela signifie brûler beaucoup de combustibles fossiles.

Berry a ajouté ceci : étant donné que les scientifiques peuvent ajuster facilement et largement les propriétés de la pérovskite, ils permettent à des plates-formes disparates de fonctionner ensemble en douceur. Cela pourrait être la clé du mariage du silicium avec des plates-formes émergentes telles que les couches minces et le photovoltaïque organique, qui ont également fait de grands progrès ces dernières années.

“C’est un peu comme Michael Jordan sur le terrain de basket”, a-t-il déclaré. “Génial en soi, mais cela rend également tous les autres joueurs meilleurs.”


De nouveaux additifs aux cellules solaires en tandem à pérovskite améliorent l’efficacité et la stabilité


Plus d’information:
Xiaoming Zhao et al, Vieillissement accéléré des cellules solaires pérovskites entièrement inorganiques stabilisées à l’interface, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abn5679. www.science.org/doi/10.1126/science.abn5679

Fourni par l’Université de Princeton

Citation: Cellules solaires en pérovskite de 30 ans et nouvelle approche pour les tester à long terme (16 juin 2022) récupéré le 16 juin 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-06-year-perovskite-solar-cells -approach.html

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