Les dernières avancées dans la fabrication de pérovskites et la thermophotovoltaïque promettent de faire progresser la façon dont les technologies solaires capturent et convertissent la lumière et la chaleur en électricité.
La technologie photovoltaïque (PV) devient de plus en plus efficace, accessible et durable. Les panneaux traditionnels en silicium s’améliorent constamment grâce à des percées qui permettent une plus grande absorption de la lumière. Les technologies révolutionnaires, cependant, sont les pérovskites et la thermophotovoltaïque.
Cellule solaire en pérovskite. Image utilisée avec l’aimable autorisation du National Renewable Energy Laboratory
Les pérovskites offrent une efficacité plus élevée que le silicium, ce qui rend les panneaux solaires compacts et plus attrayants. Les chercheurs s’attaquent aux problèmes de stabilité et de fabrication afin de rendre les cellules en pérovskite commercialement disponibles. La thermophotovoltaïque (TPV) est une technologie encore relativement nouvelle. Elle se base sur la conversion de la chaleur ou du rayonnement infrarouge en électricité, ce qui rend les PV adaptés à l’alimentation des satellites ou à l’utilisation de la chaleur résiduelle des industries.
Amélioration de la stabilité et de l’efficacité des PV en pérovskite
L’efficacité des panneaux solaires en pérovskite diminue avec l’augmentation de la surface. Les plus grandes surfaces offrent plus d’espace pour les défauts et les imperfections à l’intérieur du film de pérovskite. Les défauts fonctionnent comme des pièges pour les porteurs de charge, entravant leur mouvement et réduisant ainsi l’efficacité globale de la cellule. De plus, les films de pérovskite sont sujets à la dégradation causée par l’humidité, la lumière et la chaleur. Lors de la fabrication, le dépôt peut être moins uniforme sur la surface, ce qui contribue également aux imperfections et à l’instabilité.
Des chercheurs de l’université Northwestern, de l’Institut des sciences et de l’ingénierie chimique (EPFL) et d’autres instituts s’attaquent à ces problèmes en ajoutant des cristaux liquides thermotropes pour protéger la surface des panneaux de la dégradation environnementale et augmenter leur stabilité.
Dans des procédés de fabrication tels que la précipitation par évaporation, les additifs s’agglomèrent dans le film lors de l’évaporation du solvant et entravent le mouvement des porteurs de charge. L’additif développé par les chercheurs de l’université Northwestern évite cette agrégation grâce aux cristaux liquides thermotropes. L’additif reste liquide même lorsque la pérovskite se solidifie, assurant une passivation uniforme et facilitant le mouvement des porteurs de charge.
Les chercheurs ont testé leur additif et ont obtenu une efficacité de numérisation rapide de 21,8 % et une efficacité stabilisée de 21,1 % pour des mini-modules de pérovskite de 30 cm2. L’efficacité de numérisation rapide fait référence à la mesure réalisée dans des conditions de laboratoire contrôlées, tandis que l’efficacité stabilisée est mesurée après que le panneau a été exposé à plusieurs centaines d’heures de soleil.
Nouvelle figure de mérite pour la thermophotovoltaïque
La thermophotovoltaïque est évaluée selon deux critères : la densité de puissance et l’efficacité. Cependant, contrairement aux sources lumineuses normalisées utilisées dans les tests photovoltaïques, les systèmes TPV fonctionnent avec des sources de chaleur variables. En Espagne, des chercheurs de l’Institut des sciences photoniques (ICFO) soulignent l’absence de conditions de fonctionnement normalisées telles que la température de la source.
Le concept des cellules thermophotovoltaïques (à gauche). Travaux récents sur les dispositifs TPV évalués par une nouvelle métrique (à droite). Image utilisée avec l’aimable autorisation de SPIE
Ils ont introduit une nouvelle figure de mérite, tenant compte des dépendances de température pour le compromis entre la densité de puissance et l’efficacité. Bien qu’une conversion efficace élevée soit souhaitable, absorber suffisamment de chaleur est tout aussi important. L’optimisation des deux aspects est cruciale. Des études antérieures ont également suggéré que des pertes ohmiques réduites peuvent entraîner une efficacité TPV élevée, ce qui se fait au détriment de la densité de puissance réduite. La nouvelle métrique permet des comparaisons significatives entre différents systèmes TPV et conditions de fonctionnement.