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 National Renewable Energy Laboratory (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 au silicium

Les cellules solaires au silicium ont une efficacité maximale de seulement 33 %.

En raison de la largeur de 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 seulement, soit 10-12 secondes) et leur distance de parcours n'est que de 10 nanomètres.

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

Solution de matériau cristallin de pérovskite

Pour surmonter ce problème, Libai Huang, professeur adjoint de chimie à Purdue, et ses collègues ont développé une nouvelle technique basée sur la microscopie et des lasers rapides pour suivre la distance et la vitesse des électrons libres transportant de l'énergie dans le réseau cristallin.

Grâce à cette technique, ils ont pu enregistrer les propriétés de nombreux matériaux différents. Les scientifiques ont finalement découvert un matériau provisoirement appelé « 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 composé unique constitué de « cages » entourant les atomes libres situés en son centre. Dans la pérovskite hybride, les atomes de plomb et d'iode forment des « cages » entourant l'agrégat CH3NH3 situé au centre. 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 l'a décrit plus précisément : « 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 valeur 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. »

Les 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 montré enthousiasmé par les résultats : « Cette étude montre que les électrons libres porteurs d'énergie dans un film mince cristallin de pérovskite standard peuvent parcourir une distance supérieure ou égale à l'épaisseur du panneau, ce qui est nécessaire pour fabriquer une cellule solaire efficace. Ces informations montrent également que le potentiel de développement de cellules solaires utilisant des structures en pérovskite est très élevé. »

Cependant, l'un des inconvénients de ce matériau est qu'il contient du plomb, un élément toxique pour l'environnement. Les chercheurs de Purdue tentent actuellement de développer un matériau présentant une structure pérovskite similaire, mais sans plomb. Le dernier détail consiste à perfectionner le produit. « La prochaine étape consiste à trouver ou à développer le matériau ou la structure adéquats, dotés des niveaux d'énergie adéquats, pour extraire ces électrons libres et créer du courant dans les circuits secondaires. Ce ne sera pas simple », conclut Zhu.

Selon Khoahoc.tv