L’innovation photovoltaïque stimule l’efficacité de l’énergie verte
Générant de l’électricité sans presque aucune émission d’équivalent CO2, la technologie photovoltaïque (PV) constitue une solution d’énergie verte intéressante. Pourtant, la production européenne de cellules ou de modules solaires est actuellement très limitée, ce qui oblige à recourir aux importations, avec les empreintes carbone et les risques d'approvisionnement que cela implique. «Il est devenu de plus en plus difficile de rivaliser avec les pays asiatiques, principalement la Chine, dans le domaine de la fabrication de technologies photovoltaïques. Le véritable obstacle au déploiement des solutions photovoltaïques n’est toutefois pas d’ordre technologique, mais plutôt lié à des priorités politiques», explique Uli Würfel, coordinateur du projet DIAMOND(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) financé par l’UE. Les architectures photovoltaïques imprimables de DIAMOND, adaptables à la production, contribuent à renforcer la maturité des solutions européennes.
Innovations dans la conception et les matériaux des systèmes photovoltaïques à pérovskite
La plupart des panneaux solaires sont fabriqués à partir de silicium, en raison de son abondance et de sa fiabilité, mais les pérovskites sont plus faciles à produire pour des coûts potentiellement moins élevés. Les Pérovskites(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) pour les PV sont une classe de matériaux cristallins synthétiques fabriqués à partir d’une série de sources telles que le plomb, l’étain, le brome et le chlore. Pour accroître la durabilité et la performance des cellules solaires à pérovskite, DIAMOND a d’abord identifié la combinaison optimale de matériaux pour les principaux composants photovoltaïques. Ses chercheurs ont développé des dispositifs photovoltaïques à pérovskite avec des électrodes dorsales métalliques conventionnelles et des électrodes à base de carbone. Ils ont également exploré l’utilisation d’absorbeurs à base de plomb-étain pour réduire la teneur en plomb. Trois innovations clés ont été combinées pour conférer à la solution DIAMOND une plus grande stabilité que les anciennes cellules solaires photovoltaïques. Ils ont d’abord développé une contre-électrode à base de carbone (contacts électriques recueillant et transportant la charge photogénérée vers des circuits externes). «Ces versions améliorent la stabilité à long terme par rapport aux électrodes métalliques conventionnelles», ajoute Uli Würfel de la société Fraunhofer(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), hôte du projet. Afin de limiter l'utilisation du plomb, les chercheurs ont développé des couches de séquestration à partir d'un nouveau réseau métallo-organique, riche en groupes chélateurs, qui immobilisent les ions plomb. Enfin, un design innovant a scellé l’unité solaire. Cette «encapsulation hermétique» est délicate car les colles généralement utilisées pour les panneaux solaires en verre qui prennent en sandwich les matériaux sensibles à la température augmentent les risques de contamination et de dommages causés par la chaleur. «Nous avons remplacé la colle par une couche imprimée de matériaux frittés en verre, fondus pour les coller aux plaques de verre, qui assure une protection environnementale de plus de 25 ans", explique Uli Würfel.
Meilleur rendement de conversion énergétique
Les essais visant à comparer le rendement de conversion énergétique (RCE) de DIAMOND, c’est-à-dire la quantité de lumière solaire convertie en énergie électrique, avec les systèmes photovoltaïques au silicium, ont donné des résultats encourageants. La cellule solaire à pérovskite avec un absorbeur mixte plomb/étain a atteint un RCE de 25,86 %, tandis que la cellule solaire à pérovskite avec une électrode arrière à base de carbone a atteint un RCE de 21,5 % (22,9 % peu après l’achèvement du projet). Avec des mini-modules de cellules solaires (panneaux), un RCE de 23,28 % a été atteint sur une surface de 29 cm2. Un module de plus de 100 cm2 avec une électrode dorsale à base de carbone traitée dans l’air (par opposition à l’utilisation d’atmosphères inertes plus coûteuses telles que l’azote) a atteint un RCE de plus de 18 %. «Nous avons également enregistré un taux de RCE des cellules solaires légèrement supérieur à 27 %, battant ainsi le record mondial pour les cellules solaires en silicium cristallin au moment de la soumission de la proposition», souligne Uli Würfel.
Durable par conception
L’équipe a recherché des conceptions d’appareils, des composants et des processus offrant l’empreinte CO2 la plus faible et le potentiel de recyclage le plus élevé. Par exemple, lors de la fabrication des modules, chaque couche a été analysée en fonction de son impact environnemental potentiel, et un module entièrement recyclable a été créé à titre de preuve de concept. «Nos résultats renforcent le potentiel de la technologie photovoltaïque à pérovskite qui, une fois transférée à l’industrie, créera de nouveaux emplois et réduira la dépendance à l’égard des importations de panneaux photovoltaïques et de l’énergie elle-même», conclut Uli Würfel. À cette fin, l’équipe augmente actuellement la taille de ses modules photovoltaïques, tout en continuant à améliorer les RCE et leur durée de vie.
