Un nouveau matériau cristallin pourrait doubler l'efficacité des cellules solaires

Un nouveau matériau récemment annoncé par des chercheurs de l'Université Purdue et du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) aux États-Unis montre qu'il a la capacité de générer deux fois plus d'électricité que le silicium, le principal matériau actuellement utilisé pour fabriquer des panneaux solaires.

Limites des cellules solaires en silicium

Les cellules solaires en silicium ont un rendement maximal de seulement 33 %.

En raison de la grande largeur de la bande interdite du silicium, très peu d'électrons de valence reçoivent suffisamment d'énergie des photons pour devenir des électrons libres. De plus, dans le silicium, la durée de vie de ces électrons libres est très courte (environ 1 picoseconde, soit 10⁻¹² seconde) et la distance qu'ils parcourent n'est que de 10 nanomètres.

Après avoir parcouru la distance indiquée, les électrons libres perdent toute l'énergie fournie par les photons (du Soleil). Par conséquent, le rendement des cellules solaires en silicium est très faible car la majeure partie de l'énergie lumineuse reçue est convertie en énergie thermique.

solution de matériau cristallin pérovskite

Pour surmonter ce problème, Libai Huang, professeur adjoint de chimie à Purdue, et ses collègues ont mis au point une nouvelle technique basée sur des microscopes et des lasers rapides pour suivre la distance et la vitesse des électrons libres et énergétiques dans le réseau cristallin.

Grâce à cette technique, ils ont pu enregistrer les propriétés de nombreux matériaux différents. Finalement, les scientifiques ont découvert un matériau provisoirement nommé « pérovskite hybride ». Ce matériau est composé de plomb (Pb), d'iode (I) et de méthylammonium (CH₃NH₃).

Structure cristalline des matériaux pérovskites hybrides.

La particularité de ce matériau réside dans sa structure cristalline similaire à celle de la pérovskite (CaTiO₃), un type de composé dont la structure unique est constituée de « cages » entourant les atomes libres situés au centre. Dans la pérovskite hybride, les atomes de plomb (Pb) et d'iode (I) forment des « cages » autour du cluster CH₃NH₃ central. C'est cette structure pérovskite qui permet aux électrons libres de parcourir de plus longues distances et de survivre plus longtemps avant de perdre toute leur énergie.

Mme Huang a précisé : « La distance que doivent parcourir les électrons libres est au moins égale à l’épaisseur du panneau solaire (pour produire de l’électricité), soit environ 200 nanomètres. C’est la distance que le nouveau matériau pérovskite peut atteindre. De plus, ces électrons peuvent survivre jusqu’à 100 picosecondes, soit 100 fois plus longtemps que le silicium. »

Des images laser rapides montrent la durée de vie des électrons libres dans le réseau cristallin.

Kai Zhu, co-auteur du rapport du NREL, s'est dit enthousiasmé par les résultats : « Cette recherche montre que les électrons libres transportant de l'énergie dans un film mince cristallin de pérovskite standard peuvent parcourir une distance supérieure ou égale à l'épaisseur du panneau, condition nécessaire à la fabrication d'une cellule solaire efficace. Ces informations indiquent également que le potentiel de développement des cellules solaires utilisant des structures pérovskites est très prometteur. »

Cependant, ce matériau présente un inconvénient majeur : l’utilisation du plomb, un élément toxique pour l’environnement. Des chercheurs de l’université Purdue travaillent actuellement à la mise au point d’un matériau à structure pérovskite similaire, mais sans plomb. L’étape finale consiste à perfectionner le produit. M. Zhu a résumé : « La prochaine étape est de trouver ou de développer le matériau ou la structure adéquat(e), doté(e) des niveaux d’énergie appropriés, afin d’extraire ces électrons libres et de générer un courant dans les circuits secondaires. Ce ne sera pas chose facile. »

Selon Khoahoc.tv