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Cellule photovoltaïque à pérovskites

Une cellule photovoltaïque à pérovskites est un type de cellule photovoltaïque qui comprend un élément chimique ayant une structure de pérovskite, le plus souvent un hybride organique-inorganique de plomb ou un halogénure d'étain, dans sa couche active[1].

L'efficacité des cellules photovoltaïques utilisant ces matériaux est en constante augmentation depuis la fin des années 2000. Elle est passée de 3,8 % en 2009[2] à 22,1 % au début de 2016[3], ce qui en fait en 2016 la technologie solaire ayant eu le développement le plus rapide de l'histoire[1]. À ce jour restent encore des problèmes de stabilité à résoudre. Cependant avec un potentiel encore important d'amélioration de la performance et des coûts de production faibles, les cellules à pérovskite sont devenues commercialement attractives, et des start-up annoncent déjà des modules sur le marché d'ici 2017[4],[5].

Sommaire

MatériauxModifier

 
Structure cristalline de la pérovskite CH3NH3PbX3 (X=I, Br et/ou Cl). Le cation methylammonium (CH3NH3+) est entouré par un octaèdre PbX6[6].

PhysiqueModifier

Estimation de l'efficacité limiteModifier

La structure en bandes des pérovskites étant réglable, elle peut être optimisée pour le spectre solaire, ces cellules sont donc capables d'atteindre la limite de Shockley-Queisser[7], qui est d'environ 31 % pour un spectre solaire AM1.5G à 1 000 W/m2, pour une pérovskite avec une largeur de bande de 1,55 eV.

PerspectivesModifier

Malgré certaines propriétés très intéressantes des cellules à pérovskites, des obstacles importants (stabilité, résistance à l'eau, à la température et aux UV solaires) ont longtemps subsisté, au profit des cellules en silicium qui dominent toujours le marché[8].

Par ailleurs, l'utilisation de plomb ou d'étain pour la fabrication de cellules à courte durée de vie pourraient présenter un obstacle à leur diffusion, du fait de la toxicité de ces matériaux[9].

Il reste donc à rendre ces cellules beaucoup plus stables. En 2017, dans la revue Nature Communication une équipe de l'École polytechnique fédérale de Lausanne suggère que l'instabilité des cellules à pérovskites peut être surmontée grâce à certaines technologies à faible coût, permettant la fabrication de cellules ultra-performantes de confection peu coûteuse[10]. Ceci pourrait révolutionner le marché de l'énergie photovoltaïque, en faisant chuter les coûts tout en augmentant brutalement la productivité des panneaux[11].
Peu après (novembre 2017) dans la revue Science, une étude germano-suisse montre que cette instabilité provient de la dégradation du contact entre CuSCN et l’or durant l’activité des cellules solaires[12],[13].

Non seulement les chercheurs de l’EPFL ont développé une méthode simple de dépôt de couches enrobantes de 60 nm d’épaisseur de CuSCN (grâce à une évaporation accélérée du solvant), mais ils ont encore amélioré la stabilité des cellules pérovskite dopées au thiocyanate de cuivre (en le protégeant par une fine couche d’oxyde de graphène réduit)[14].
Pour un rendement initial dépassant 20 % pour un film neuf, les modules n’ont alors perdu qu’un peu moins de 5 % de leurs performances lors du test de vieillissement consistant à les exposer à 1 000 heures d’équivalent pleine lumière solaire, à 60°C, c’est un nouveau record. Le thiocynate de cuivre (CuSCN) est l’un des candidats les plus intéressants, car relativement stable, efficace et surtout très bon marché (0,5 $/g contre 500 $/g pour le spiro-OMeTAD qui est le plus utilisé). L’ajout d’une fine couche d’espacement en oxyde de graphène réduit entre les couches de CuSCN et une couche d’or a stabilisé les films solaires pérovskite, plus qu’avec les meilleures cellules solaires en pérovskite à base de HTM organique).

Notes et référencesModifier

  1. a et b (en) Silvia Collavini, Sebastian F. Völker et Juan Luis Delgado, « Understanding the Outstanding Power Conversion Efficiency of Perovskite-Based Solar Cells », Angewandte Chemie International Edition, Wiley-Blackwell, vol. 54, no 34,‎ , p. 9757-9759 (ISSN 1433-7851, DOI 10.1002/anie.201505321, lire en ligne).
  2. (en) Akihiro Kojima, Kenjiro Teshima, Yasuo Shirai et Tsutomu Miyasaka, « Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells », J. Am. Chem. Soc., American Chemical Society (ACS), vol. 131, no 17,‎ , p. 6050-6051 (ISSN 0002-7863, DOI 10.1021/ja809598r, lire en ligne).
  3. « NREL efficiency chart »
  4. (en) Oxford PV, « Oxford PV reveals breakthrough in efficiency of new class of solar cell », sur Oxford Photovoltaics, (consulté le 18 juin 2016).
  5. (en) Ucilia Wang, « Perovskite Offers Shot at Cheaper Solar Energy », sur WSJ, (consulté le 18 juin 2016).
  6. Christopher Eames, Jarvist M. Frost, Piers R. F. Barnes, Brian C. O’Regan, Aron Walsh et M. Saiful Islam, « Ionic transport in hybrid lead iodide perovskite solar cells », Nature Communications, Nature Publishing Group, vol. 6,‎ , p. 7497 (ISSN 2041-1723, DOI 10.1038/ncomms8497, lire en ligne).
  7. (en) Wei E. I. Sha, Xingang Ren, Luzhou Chen et Wallace C. H. Choy, « The efficiency limit of CH3NH3PbI3 perovskite solar cells », Appl. Phys. Lett., AIP Publishing, vol. 106, no 22,‎ , p. 221104 (ISSN 0003-6951, DOI 10.1063/1.4922150, lire en ligne).
  8. Georges Sabellicus, « Photovoltaïque : la fièvre pérovskite », sur CNRS Le journal, (consulté le 18 juin 2016).
  9. (en) Aslihan Babayigit, Dinh Duy Thanh, Anitha Ethirajan, Jean Manca, Marc Muller, Hans-Gerd Boyen et Bert Conings, « Assessing the toxicity of Pb- and Sn-based perovskite solar cells in model organism Danio rerio », Sci. Rep., Nature Publishing Group, vol. 6,‎ , p. 18721 (ISSN 2045-2322, DOI 10.1038/srep18721, lire en ligne).
  10. (en) G. Grancini, C. Roldán-Carmona, I. Zimmermann, E. Mosconi, X. Lee, D. Martineau, S. Narbey, F. Oswald, F. De Angelis, M. Graetzel & Mohammad Khaja Nazeeruddin, « One-Year stable perovskite solar cells by 2D/3D interface engineering », Nature Communications,‎ (DOI 10.1038/ncomms15684, lire en ligne).
  11. (en) « Ultra-Stable Perovskite Cells Signal Dawn Of A Solar Age », sur www.iflscience.com, .
  12. Arora N, Dar M.I, Hinderhofer A, Pellet N, Schreiber F, Zakeeruddin S.M & Grätzel M (2017) Perovskite solar cells with CuSCN hole extraction layers yield stabilized efficiencies greater than 20%. Science, 0 Nov 2017 |10 octobre 2017|Vol. 358, Issue 6364, pp. 768-771 DOI: 10.1126/science.aam5655 (résumé).
  13. enerzine (2017) Record de stabilité pour des cellules en pérovskite à haut rendement, consulté le 13 novembre 2017
  14. N. Arora et al., Science, vol. 358, pp. 768-771, 2017

Voir aussiModifier

Articles connexesModifier

BibliographieModifier

  • Chen W, Y. Wu , Y. Yue , J. Liu , W. Zhang , X. Yang , H. Chen , E. Bi , I. Ashraful , M. Grätzel , L. Han (2015), Efficient and stable large -ar ea perovskite solar cells with inorganic charge extraction layers. Science 350 , 944–948 doi:10.1126/science.aad1015 Medlin
  • Kojima A , K. Teshima, Y. Shirai, T. Miyasaka, (2009). “Organometal halide perovskites as visible- light sensitizers for photovoltaic cells” . J. Am. Chem. Soc. 131 , 6050– 6051 doi:10.1021/ja809598r
  • Liu J , S. K. Pathak , N. Sakai , R. Sheng , S. Bai , Z. Wang , H. J. Snaith( 2016). “Identification and mitigation of a critical interfacial instability in perovskite solar cells employing copper thiocyanate hole-transporter” . Adv. Mater. Interfaces 3 , 1600571 doi:10.1002/admi.201600571
  • Liu J, Y. Wu , C. Qin , X. Yang , T. Yasuda, A. Islam , K. Zhang , W. Peng , W. Chen , L. Han (2014), “A dopant- free hole -transporting material for efficient and stable perovskite solar cells”. Energy Environ. Sci. 7 , 2963– 2967. doi:10.1039/C4EE01589D
  • MadhavanV.E, I. Zimmermann, C. Roldán- Carmona, G. Grancini, M. Buffiere , A. Belaidi , M. K. Nazeeruddin (2016). , Copper thiocyanate inorganic hole -transporting material for high -efficiency perovskite solar cells . ACS Energy Lett. 1 , 1112 –1117 doi:10.1021/acsenergylett.6b00501
  • Tan H , A. Jain , O. Voznyy , X. Lan , F. P. G arcía de Arquer , J. Z. Fan , R. Quintero- Bermudez , M. Yuan , B. Zhang , Y. Zhao , F. Fan , P. Li, L. N. Quan, Y. Zhao , Z.- H. Lu , Z. Yang , S. Hoogland , E. H. Sargent (2017), « Efficient and stable solution- processed planar perovskite solar cells via contact passivation ». Science 355 , 722 –726 doi:10.1126/science.aai9081
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  • Ye S , H. Rao , W. Yan , Y. Li, W. Sun , H. Peng , Z. Liu , Z. Bian , Y. Li, C. Huang (2016), “A strategy to simplify the preparation process of perovskite solar cells by co - deposition of a hole -conductor and a perovskite layer” . Adv. Mater. 28 , 9648– 9654 doi:10.1002/adma.201603850