Des scientifiques travaillant à l’Université de Californie, à Berkeley (UC Berkeley) et au Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) ont créé une cellule hybride photovoltaïque à partir de couches multiples de différents matériaux de perovskite qui revendique avoir un pic d’efficacité de 26 %. On dit que la cellule peut être aisément pulvérisée sur des surfaces flexibles pour fabriquer des panneaux solaires flexibles à haut rendement.
Conglomérat hybride organique-inorganique, le perovskite est utilisé dans les cellules solaires pour capturer la lumière d’une manière similaire aux cellules solaires à base de silicium classiques en convertissant l’énergie des photons entrant en courant électrique. Contrairement aux matériaux semi-conducteurs en silicium rigide qui nécessitent beaucoup de traitement et de manipulation coûteux pour les transformer en cellules solaires, les dispositifs photovoltaïques de perovskite sont dits moins chers et plus faciles à fabriquer, en plus d’être beaucoup plus flexibles.
Le nouveau dispositif de l’UC berkeley / LBNL est également très efficace grâce à un sandwich de deux types de perovskite séparés par une couche épaisse d’un atome de nitrure de bore hexagonal (parfois appelée «graphène blanc») et chaque tranche de a été conçu comme une couche à bande graduée (dit simplement, de faible résistance et de gain élevé) capable d’absorber les différentes longueurs d’onde de la lumière. Cette combinaison crée effectivement une cellule photovoltaïque capable de recueillir et de convertir l’énergie à travers la plupart du spectre lumineux.
«Il s’agit de réaliser une cellule solaire à bande graduée dans un système relativement facile à contrôler et facile à manipuler», a déclaré Alex Zettl, professeur de physique à l’UC Berkeley. « La chose intéressante à ce sujet est qu’elle combine deux caractéristiques très précieuses – le bande graduée, une approche connue, avec le perovskite, un matériau relativement nouveau mais ayant une efficacité étonnamment élevée et reconnue- pour obtenir le meilleur des deux mondes.
En détail, les matériaux de la pérovskite sont constitués de molécules organiques de méthyle et d’ammoniac, l’une contenant de l’étain et de l’iode et destinées à absorber la lumière infrarouge dans la gamme 1 électron volt (eV), et l’autre constituée de plomb et d’iode dopée par le brome qui absorbe les photons ambrés d’énergie à 2 eV. Une couche à atome unique de nitrure de bore fournit alors une jonction intermédiaire pour fonctionner en tandem et créer de l’électricité à travers la bande lumineuse.
Cette combinaison stratifiée entière est alors stabilisée mécaniquement en la plaçant au-dessus d’un aérogel de graphène léger pour améliorer la formation de cristaux de perovskite à grains fins ainsi que servir de barrière contre l’humidité pour arrêter les pérovskites hydrosolubles tombant en morceaux. Enfin, l’ensemble du conglomérat a une électrode d’or attachée à la face inférieure, avec une couche de nitrure de gallium ajouté à la partie supérieure qui rassemble les électrons générés lorsque la cellule est exposée à la lumière. Et tout cela avec une couche active de seulement 400 nanomètres d’épaisseur.
«Notre architecture est un peu comme la construction d’une route automobile de qualité», a déclaré Alex Zettl. «L’aérogel de graphène agit comme une couche de fond rocheux écrasée, ou une fondation, les deux couches de pérovskite sont comme des couches de gravier et de sable plus fines déposées au-dessus de celle-ci, la couche hexagonale de nitrure de bore agissant comme une membrane mince entre le gravier et le sable qui empêche le sable de se diffuser ou de se mélanger trop avec le gravier plus fin. La couche de nitrure de gallium sert de couche supérieure d’asphalte.
Avec une efficacité de fonctionnement standard d’environ 21,7%, la nouvelle cellule de perovskite hybride à large spectre est déjà meilleure que l’efficacité de 10 à 20% de cellules solaires en silicium polycristallin standard actuellement utilisées dans une foule d’équipements commerciaux et de systèmes solaires domestiques. Même les meilleures cellules solaires au silicium fabriquées aujourd’hui ont de la chance si elles obtiennent plus de 25 % d’efficacité et sont complexes et coûteuses à produire.
« Nous avons fixé le record maintenant pour les différents paramètres de cellules pérovskites solaires, y compris l’efficacité », a déclaré Alex Zettl. « L’efficacité est plus élevée que n’importe quelle autre cellule de perovskite – 21.7 % – qui est un nombre phénoménal, étant donné que nous sommes au début de son optimisation »
«Nos calculs d’efficacité théorique devraient être beaucoup, beaucoup plus élevés et plus faciles à atteindre que pour les cellules solaires à simple bande, car nous pouvons maximiser la couverture du spectre solaire», a ajouté Onur Ergen, un étudiant diplômé en physique à Berkeley.
La possibilité existe d’ajouter d’autres couches de perovskite hexagonale séparées par du nitrure de bore pour aider à accroître encore plus l’efficacité, mais les chercheurs croient que le nouveau matériau mince peut être suffisamment efficace et certainement suffisant pour produire des rendements acceptables pour la production commerciale.
«Avec ce nouveau matériau, nous sommes dans le régime d’une production de masse en rouleau, c’est presque comme de la peinture par pulvérisation. »
