par Une cellule solaire Direct wafer 6 x 6 à l’installation CubicPV de Bedford, MA, le 5 août 2021.
Globe de Boston | Globe de Boston | Getty Images
En 1839, le scientifique allemand Gustav Rose partit en prospection dans les montagnes de l’Oural et découvrit un minéral sombre et brillant. Il a nommé le titanate de calcium “perovskite” d’après le minéralogiste russe Lev Perovski. Le minéral était l’un des nombreux que Rose a identifié pour la science, mais près de deux siècles plus tard, les matériaux partageant la structure cristalline de la pérovskite pourraient transformer l’énergie durable et la course contre le changement climatique en augmentant considérablement l’efficacité des panneaux solaires commerciaux.
Les panneaux solaires ont représenté près de 5% de la production d’énergie aux États-Unis l’année dernière, soit près de 11 fois plus qu’il y a 10 ans et suffisamment pour alimenter environ 25 millions de foyers. C’est également la source d’énergie nouvelle qui connaît la croissance la plus rapide, représentant 50 % de toute la nouvelle production d’électricité ajoutée en 2022. Mais presque tous les modules solaires utilisés aujourd’hui dans la production d’électricité sont constitués de panneaux conventionnels à base de silicium fabriqués en Chine, une technologie qui a peu évolué depuis la découverte des cellules au silicium dans les années 1950.
Autres matériaux utilisés, comme l’arséniure de gallium, le séléniure de cuivre, d’indium et de gallium et le tellurure de cadmium – ce dernier étant la clé de la plus grande entreprise solaire américaine Premier Solaire‘s croissance – peut être très coûteux ou toxique. Les partisans des cellules solaires à base de pérovskite affirment qu’elles peuvent surpasser le silicium d’au moins deux façons et accélérer les efforts dans la course à la lutte contre le changement climatique. Cette semaine encore, First Solar a annoncé l’acquisition de l’acteur européen de la technologie pérovskite Evolar.
Les limites du silicium des cellules solaires
Les cellules photovoltaïques convertissent les photons de la lumière du soleil en électricité. Mais tous les photons ne sont pas identiques. Ils ont différentes quantités d’énergie et correspondent à différentes longueurs d’onde dans le spectre solaire. Les cellules en pérovskites, qui font référence à divers matériaux avec des structures cristallines ressemblant à celles du minéral, ont un coefficient d’absorption plus élevé, ce qui signifie qu’elles peuvent capter une plus large gamme d’énergies de photons sur le spectre de la lumière solaire pour fournir plus d’énergie. Alors que les cellules de silicium commerciales standard ont des rendements d’environ 21 %, les cellules de pérovskite de laboratoire ont des rendements allant jusqu’à 25,7 % pour celles basées sur la pérovskite seule, et jusqu’à 31,25 % pour celles qui sont combinées avec du silicium dans une cellule dite tandem. Pendant ce temps, alors même que l’efficacité du silicium a augmenté, les cellules à jonction unique sont confrontées à une barrière théorique d’efficacité maximale de 29 %, connue sous le nom de limite de Shockley-Queisser ; leur limite pratique est aussi basse que 24 %.
De plus, les cellules pérovskites peuvent être plus durables à produire que le silicium. Une chaleur intense et de grandes quantités d’énergie sont nécessaires pour éliminer les impuretés du silicium, ce qui produit beaucoup d’émissions de carbone. Il doit également être relativement épais pour fonctionner. Les cellules de pérovskite sont très fines – moins de 1 micromètre – et peuvent être peintes ou pulvérisées sur des surfaces, ce qui les rend relativement peu coûteuses à produire. Une analyse de l’Université de Stanford en 2020 d’une méthode de production expérimentale a estimé que les modules de pérovskite pouvaient être fabriqués pour seulement 25 cents par pied carré, contre environ 2,50 $ pour l’équivalent en silicium.
“Les industries mettront en place des lignes de production dans les usines pour la commercialisation de leurs cellules solaires avant 2025”, déclare Tsutomu Miyasaka, professeur d’ingénierie à l’Université Toin de Yokohama, qui a signalé la création de la première cellule solaire pérovskite en 2009. “Non seulement pour une utilisation dans l’énergie solaire extérieure panneaux mais aussi des dispositifs d’alimentation IoT intérieurs, qui constitueront un gros marché pour les dispositifs photovoltaïques à pérovskite car ils peuvent fonctionner même sous un faible éclairage.”
Soutenir la technologie climatique de nouvelle génération
Des entreprises du monde entier commencent à commercialiser des panneaux de pérovskite. CubicPV, basée dans le Massachusetts et le Texas, développe des modules en tandem depuis 2019, et ses bailleurs de fonds incluent Breakthrough Energy Ventures de Bill Gates. La société affirme que ses modules sont formés d’une couche inférieure de silicium et d’une couche supérieure de pérovskite et que leur efficacité atteindra 30 %. Leur avantage, selon le PDG Frank van Mierlo, est la chimie de la pérovskite de l’entreprise et sa méthode de fabrication à faible coût pour la couche de silicium qui rend l’approche en tandem économique.
Le mois dernier, le ministère de l’Énergie a annoncé que CubicPV serait le principal participant de l’industrie dans un nouveau centre de recherche du Massachusetts Institute of Technology qui exploitera l’automatisation et l’IA pour optimiser la production de panneaux tandem. Pendant ce temps, CubicPV est sur le point de décider de l’emplacement d’une nouvelle usine de plaquettes de silicium de 10 GW aux États-Unis, une décision qui, selon elle, accélérera le développement en tandem.
“Tandem extrait plus d’énergie du soleil, ce qui rend chaque installation solaire plus puissante et accélère la capacité du monde à freiner les pires impacts du changement climatique”, a déclaré Van Mierlo. “Nous pensons qu’au cours de la prochaine décennie, toute l’industrie passera au tandem.”
En Europe, Oxford PV prévoit également de commencer à fabriquer des modules tandem. Un spin-off de l’Université d’Oxford, il revendique une efficacité de 28% pour les tandems et dit qu’il développe une cellule multicouche avec une efficacité de 37%. L’entreprise construit une usine de cellules solaires à Brandebourg, en Allemagne, mais elle a été retardée par la pandémie de coronavirus et les problèmes de la chaîne d’approvisionnement. Pourtant, la startup, fondée en 2010 et soutenue par une société énergétique norvégienne Équin, le fabricant chinois d’éoliennes Goldwind et la Banque européenne d’investissement, espèrent pouvoir commencer les expéditions cette année en attendant la certification réglementaire. La technologie serait initialement plus chère que les cellules au silicium conventionnelles, car le tandem offre une densité d’énergie plus élevée, mais la société affirme que l’économie est favorable sur toute la durée de vie de l’utilisation.
Au fil des ans, de nombreuses start-up solaires ont tenté de briser la part de marché de la Chine et des panneaux de silicium conventionnels, tels que Solyndra, notoirement en faillite, qui utilisait du séléniure de cuivre, d’indium et de gallium. L’approche des couches minces de tellurure de cadmium de First Solar a survécu à une débâcle solaire d’une décennie en raison de son équilibre entre le faible coût par rapport au silicium cristallin et l’efficacité. Mais il considère désormais les cellules tandem comme la clé de l’avenir de l’industrie solaire également.
“La pérovskite est un matériau perturbateur sans perturber le modèle commercial – la capacité bien ancrée de fabriquer à base de silicium”, déclare Chris Case, CTO d’Oxford PV. “Notre produit sera plus efficace pour produire de l’énergie à moindre coût que n’importe quelle technologie solaire concurrente.”
L’usine de fabrication d’Oxford PV à Brandebourg, en Allemagne, une spin-off de l’Université d’Oxford, qui revendique une efficacité de 28 % pour ses cellules solaires en tandem et affirme qu’elle développe une cellule multicouche avec une efficacité de 37 %.
PV d’Oxford
Caelux, une spin-off du California Institute of Technology, se concentre également sur la commercialisation de cellules tandem. Soutenu par VC Vinod Khosla et le conglomérat indien d’énergie, de télécommunications et de vente au détail Reliance Industries, Caelux souhaite travailler avec les sociétés de modules de silicium existantes en ajoutant une couche de verre pérovskite aux modules conventionnels pour augmenter l’efficacité de 30% ou plus.
Questions sur les performances en dehors du laboratoire
Les pérovskites sont confrontées à des défis en termes de coût, de durabilité et d’impact environnemental avant de pouvoir faire une brèche sur le marché. L’une des versions les plus performantes est les pérovskites aux halogénures de plomb, mais les chercheurs tentent de formuler d’autres compositions pour éviter la toxicité du plomb.
Martin Green, chercheur sur les cellules solaires à l’Université de Nouvelle-Galles du Sud en Australie, pense que les cellules tandem à base de silicium seront la prochaine grande avancée dans la technologie solaire. Mais il prévient qu’ils ne sont pas connus pour fonctionner assez bien en dehors du laboratoire. Les matériaux pérovskites peuvent se dégrader lorsqu’ils sont exposés à l’humidité, un problème avec lequel les chercheurs ont revendiqué un certain succès.
“La grande question est de savoir si les cellules tandem pérovskite/silicium auront jamais la stabilité requise pour être commercialement viables”, a déclaré Green, qui dirige le Centre australien pour la photovoltaïque avancée. “Bien que des progrès aient été réalisés depuis que les premières cellules pérovskites ont été signalées, les seules données de terrain publiées pour de telles cellules tandem avec une efficacité compétitive suggèrent qu’elles ne survivraient que quelques mois à l’extérieur, même lorsqu’elles sont soigneusement encapsulées.”
Lors d’un récent essai sur le terrain, des cellules tandem ont été testées pendant plus d’un an en Arabie saoudite et se sont avérées conserver plus de 80 % d’une efficacité de conversion initiale de 21,6 %. Pour sa part, Oxford PV affirme que ses cellules solaires sont conçues pour répondre à l’espérance de vie standard de 25 à 30 ans lorsqu’elles sont assemblées dans des modules photovoltaïques standard. Il affirme que ses modules de démonstration en tandem ont passé avec succès les principaux tests de résistance accélérés de l’industrie pour prédire la durée de vie des modules solaires.
Expériences japonaises sur la pérovskite sur le bâtiment
Au Japon, les grandes étendues de terre plates pouvant accueillir des mégaprojets solaires sont difficiles à trouver en raison du terrain montagneux de l’archipel. C’est l’une des raisons pour lesquelles les entreprises développent des panneaux de pérovskite minces et polyvalents à utiliser sur les murs et d’autres parties des bâtiments. Plus tôt cette année, Sekisui Chemical et NTT Data ont installé des cellules de pérovskite à l’extérieur des bâtiments de Tokyo et d’Osaka pour tester leurs performances pendant un an. Le fabricant d’électronique Panasonic, quant à lui, a créé une imprimante à jet d’encre capable de produire des cellules de pérovskite à couche mince de différentes tailles, formes et opacités, ce qui signifie qu’elles peuvent être utilisées dans du verre ordinaire installé sur des fenêtres, des murs, des balcons et d’autres surfaces.
« La production et la consommation d’électricité sur site seront très bénéfiques pour la société », déclare Yukihiro Kaneko, directeur général du Centre technologique des matériaux appliqués de Panasonic. “Pour que le Japon atteigne son objectif de décarbonisation, il faudrait construire 1 300 mégaprojets solaires de la taille d’un stade approximatif chaque année. C’est pourquoi nous pensons qu’il est préférable d’intégrer l’énergie solaire dans les fenêtres et les murs.”
Présentée au CES 2023, la cellule pérovskite de 30 cm² de Panasonic a un rendement de 17,9 %, le plus élevé au monde, selon un classement du US National Renewable Energy Laboratory. Le fabricant devrait bénéficier d’un coup de pouce grâce à des réglementations telles que l’exigence récemment annoncée que tous les nouveaux projets de logements à Tokyo soient équipés de panneaux solaires à partir de 2025. Panasonic a déclaré qu’il visait à commercialiser ses cellules à pérovskite dans les cinq prochaines années.
L’inventeur de la cellule pérovskite, Miyasaka, estime que la production d’électricité à base de pérovskite représentera plus de la moitié du marché des cellules solaires en 2030, non pas en remplaçant le silicium, mais grâce à de nouvelles applications telles que la construction de murs et de fenêtres.
“Les progrès rapides de l’efficacité de la conversion de puissance ont été un résultat surprenant et vraiment inattendu pour moi”, a déclaré Miyasaka. “En bref, ce sera une grande contribution à la réalisation d’une société durable autosuffisante.”
rewrite this content and keep HTML tags Une cellule solaire Direct wafer 6 x 6 à l’installation CubicPV de Bedford, MA, le 5 août 2021.Globe de Boston | Globe de Boston | Getty ImagesEn 1839, le scientifique allemand Gustav Rose partit en prospection dans les montagnes de l’Oural et découvrit un minéral sombre et brillant. Il a nommé le titanate de calcium “perovskite” d’après le minéralogiste russe Lev Perovski. Le minéral était l’un des nombreux que Rose a identifié pour la science, mais près de deux siècles plus tard, les matériaux partageant la structure cristalline de la pérovskite pourraient transformer l’énergie durable et la course contre le changement climatique en augmentant considérablement l’efficacité des panneaux solaires commerciaux.Les panneaux solaires ont représenté près de 5% de la production d’énergie aux États-Unis l’année dernière, soit près de 11 fois plus qu’il y a 10 ans et suffisamment pour alimenter environ 25 millions de foyers. C’est également la source d’énergie nouvelle qui connaît la croissance la plus rapide, représentant 50 % de toute la nouvelle production d’électricité ajoutée en 2022. Mais presque tous les modules solaires utilisés aujourd’hui dans la production d’électricité sont constitués de panneaux conventionnels à base de silicium fabriqués en Chine, une technologie qui a peu évolué depuis la découverte des cellules au silicium dans les années 1950.Autres matériaux utilisés, comme l’arséniure de gallium, le séléniure de cuivre, d’indium et de gallium et le tellurure de cadmium – ce dernier étant la clé de la plus grande entreprise solaire américaine Premier Solaire’s croissance – peut être très coûteux ou toxique. Les partisans des cellules solaires à base de pérovskite affirment qu’elles peuvent surpasser le silicium d’au moins deux façons et accélérer les efforts dans la course à la lutte contre le changement climatique. Cette semaine encore, First Solar a annoncé l’acquisition de l’acteur européen de la technologie pérovskite Evolar.Les limites du silicium des cellules solairesLes cellules photovoltaïques convertissent les photons de la lumière du soleil en électricité. Mais tous les photons ne sont pas identiques. Ils ont différentes quantités d’énergie et correspondent à différentes longueurs d’onde dans le spectre solaire. Les cellules en pérovskites, qui font référence à divers matériaux avec des structures cristallines ressemblant à celles du minéral, ont un coefficient d’absorption plus élevé, ce qui signifie qu’elles peuvent capter une plus large gamme d’énergies de photons sur le spectre de la lumière solaire pour fournir plus d’énergie. Alors que les cellules de silicium commerciales standard ont des rendements d’environ 21 %, les cellules de pérovskite de laboratoire ont des rendements allant jusqu’à 25,7 % pour celles basées sur la pérovskite seule, et jusqu’à 31,25 % pour celles qui sont combinées avec du silicium dans une cellule dite tandem. Pendant ce temps, alors même que l’efficacité du silicium a augmenté, les cellules à jonction unique sont confrontées à une barrière théorique d’efficacité maximale de 29 %, connue sous le nom de limite de Shockley-Queisser ; leur limite pratique est aussi basse que 24 %.De plus, les cellules pérovskites peuvent être plus durables à produire que le silicium. Une chaleur intense et de grandes quantités d’énergie sont nécessaires pour éliminer les impuretés du silicium, ce qui produit beaucoup d’émissions de carbone. Il doit également être relativement épais pour fonctionner. Les cellules de pérovskite sont très fines – moins de 1 micromètre – et peuvent être peintes ou pulvérisées sur des surfaces, ce qui les rend relativement peu coûteuses à produire. Une analyse de l’Université de Stanford en 2020 d’une méthode de production expérimentale a estimé que les modules de pérovskite pouvaient être fabriqués pour seulement 25 cents par pied carré, contre environ 2,50 $ pour l’équivalent en silicium. “Les industries mettront en place des lignes de production dans les usines pour la commercialisation de leurs cellules solaires avant 2025”, déclare Tsutomu Miyasaka, professeur d’ingénierie à l’Université Toin de Yokohama, qui a signalé la création de la première cellule solaire pérovskite en 2009. “Non seulement pour une utilisation dans l’énergie solaire extérieure panneaux mais aussi des dispositifs d’alimentation IoT intérieurs, qui constitueront un gros marché pour les dispositifs photovoltaïques à pérovskite car ils peuvent fonctionner même sous un faible éclairage.”Soutenir la technologie climatique de nouvelle générationDes entreprises du monde entier commencent à commercialiser des panneaux de pérovskite. CubicPV, basée dans le Massachusetts et le Texas, développe des modules en tandem depuis 2019, et ses bailleurs de fonds incluent Breakthrough Energy Ventures de Bill Gates. La société affirme que ses modules sont formés d’une couche inférieure de silicium et d’une couche supérieure de pérovskite et que leur efficacité atteindra 30 %. Leur avantage, selon le PDG Frank van Mierlo, est la chimie de la pérovskite de l’entreprise et sa méthode de fabrication à faible coût pour la couche de silicium qui rend l’approche en tandem économique.Le mois dernier, le ministère de l’Énergie a annoncé que CubicPV serait le principal participant de l’industrie dans un nouveau centre de recherche du Massachusetts Institute of Technology qui exploitera l’automatisation et l’IA pour optimiser la production de panneaux tandem. Pendant ce temps, CubicPV est sur le point de décider de l’emplacement d’une nouvelle usine de plaquettes de silicium de 10 GW aux États-Unis, une décision qui, selon elle, accélérera le développement en tandem.”Tandem extrait plus d’énergie du soleil, ce qui rend chaque installation solaire plus puissante et accélère la capacité du monde à freiner les pires impacts du changement climatique”, a déclaré Van Mierlo. “Nous pensons qu’au cours de la prochaine décennie, toute l’industrie passera au tandem.”En Europe, Oxford PV prévoit également de commencer à fabriquer des modules tandem. Un spin-off de l’Université d’Oxford, il revendique une efficacité de 28% pour les tandems et dit qu’il développe une cellule multicouche avec une efficacité de 37%. L’entreprise construit une usine de cellules solaires à Brandebourg, en Allemagne, mais elle a été retardée par la pandémie de coronavirus et les problèmes de la chaîne d’approvisionnement. Pourtant, la startup, fondée en 2010 et soutenue par une société énergétique norvégienne Équin, le fabricant chinois d’éoliennes Goldwind et la Banque européenne d’investissement, espèrent pouvoir commencer les expéditions cette année en attendant la certification réglementaire. La technologie serait initialement plus chère que les cellules au silicium conventionnelles, car le tandem offre une densité d’énergie plus élevée, mais la société affirme que l’économie est favorable sur toute la durée de vie de l’utilisation.Au fil des ans, de nombreuses start-up solaires ont tenté de briser la part de marché de la Chine et des panneaux de silicium conventionnels, tels que Solyndra, notoirement en faillite, qui utilisait du séléniure de cuivre, d’indium et de gallium. L’approche des couches minces de tellurure de cadmium de First Solar a survécu à une débâcle solaire d’une décennie en raison de son équilibre entre le faible coût par rapport au silicium cristallin et l’efficacité. Mais il considère désormais les cellules tandem comme la clé de l’avenir de l’industrie solaire également.”La pérovskite est un matériau perturbateur sans perturber le modèle commercial – la capacité bien ancrée de fabriquer à base de silicium”, déclare Chris Case, CTO d’Oxford PV. “Notre produit sera plus efficace pour produire de l’énergie à moindre coût que n’importe quelle technologie solaire concurrente.”L’usine de fabrication d’Oxford PV à Brandebourg, en Allemagne, une spin-off de l’Université d’Oxford, qui revendique une efficacité de 28 % pour ses cellules solaires en tandem et affirme qu’elle développe une cellule multicouche avec une efficacité de 37 %.PV d’OxfordCaelux, une spin-off du California Institute of Technology, se concentre également sur la commercialisation de cellules tandem. Soutenu par VC Vinod Khosla et le conglomérat indien d’énergie, de télécommunications et de vente au détail Reliance Industries, Caelux souhaite travailler avec les sociétés de modules de silicium existantes en ajoutant une couche de verre pérovskite aux modules conventionnels pour augmenter l’efficacité de 30% ou plus.Questions sur les performances en dehors du laboratoireLes pérovskites sont confrontées à des défis en termes de coût, de durabilité et d’impact environnemental avant de pouvoir faire une brèche sur le marché. L’une des versions les plus performantes est les pérovskites aux halogénures de plomb, mais les chercheurs tentent de formuler d’autres compositions pour éviter la toxicité du plomb.Martin Green, chercheur sur les cellules solaires à l’Université de Nouvelle-Galles du Sud en Australie, pense que les cellules tandem à base de silicium seront la prochaine grande avancée dans la technologie solaire. Mais il prévient qu’ils ne sont pas connus pour fonctionner assez bien en dehors du laboratoire. Les matériaux pérovskites peuvent se dégrader lorsqu’ils…
