Les cellules solaires à pérovskite pourraient propulser le photovoltaïque à un nouveau niveau avec un rendement électrique jusqu’à un quart supérieur à celui des cellules au silicium conventionnelles. L’industrie aimerait se lancer bientôt et prépare déjà la production, mais les experts voient encore des obstacles à surmonter.
Selon le Fraunhofer ISE, l’expansion du photovoltaïque en 2023 a largement dépassé les objectifs du gouvernement fédéral, avec plus de 13 gigawatts installés d’ici novembre au lieu des neuf prévus. Selon les données préliminaires, d’ici fin 2023, il y aurait plus de 14 gigawatts. C’est énorme, en 2022 l’expansion n’était « que » de 7,44 GW. Cela s’explique entre autres par le fait que les panneaux sont devenus plus efficaces et moins chers. Cependant, les cellules solaires au silicium conventionnelles atteignent désormais leurs limites en matière d’amélioration de l’efficacité.
Les cellules solaires à base de minéraux pérovskites pourraient représenter une solution, grâce à leurs propriétés particulières : elles absorbent la lumière de manière particulièrement efficace et dissipent bien l’électricité produite. De plus, leur transformation et leur fabrication sont peu coûteuses.
Étant donné que les cellules pérovskites convertissent les composants bleus à haute énergie de la lumière solaire en électricité, elles constituent également un complément idéal aux cellules au silicium qui utilisent les composants rouges. Les cellules tandem ainsi produites se sont révélées particulièrement efficaces. Le Frauenhofer ISE étudie déjà des cellules solaires triples avec deux couches de pérovskite et une couche de silicium, qui pourraient avoir des rendements encore plus élevés.
La recherche sur les cellules solaires au silicium pérovskite a connu un développement rapide ces derniers temps. Depuis 2009, le rendement du laboratoire est passé de quatre à près de 34 pour cent (cellules tandem). Les cellules conventionnelles n’atteignent qu’un peu moins de 27 pour cent. Selon le Science Media Center (SMC), la mise en œuvre industrielle signifie que le rendement électrique pourrait être augmenté d’environ un quart par rapport aux cellules solaires conventionnelles sur la même surface.
Il y a encore des problèmes, mais aussi des solutions
Il reste cependant encore quelques problèmes à résoudre avant qu’il soit prêt à être commercialisé. Jusqu’à présent, les pérovskites les plus efficaces contiennent une petite quantité de plomb toxique, qui pourrait théoriquement être libérée en cas de dommage. Il est hautement improbable que cela entraîne une concentration de plomb nocive pour l’homme ou l’environnement. Néanmoins, il faut trouver soit un moyen sûr de traiter le contenu principal, soit des substituts. Le Centre de recherche sur l’énergie solaire et l’hydrogène du Bade-Wurtemberg (ZSW) de Karlsruhe étudie par exemple les couches de pérovskite à base d’étain.
Un problème majeur est l’instabilité des cellules, ce qui signifie qu’elles sont encore trop sensibles à l’humidité, aux températures élevées et à d’autres propriétés environnementales pour une utilisation pratique. Mais là aussi, des progrès sont réalisés. L’année dernière, des chercheurs de la City University of Hong Kong (CityU) ont décrit dans une étude comment une couche supplémentaire peut assurer la stabilité thermique des cellules pérovskites.
« Potentiel de révolutionner le marché du photovoltaïque »
« En introduisant une couche d’extraction de charges thermiquement robuste, nos cellules améliorées conservent plus de 90 % de leur efficacité », explique Zhu Zonglong du département de chimie de CityU. Ce chiffre atteint 25,6 pour cent, même si les cellules fonctionnent pendant plus de 1 000 heures à des températures élevées d’environ 65 degrés Celsius. « Les implications de cette recherche sont considérables et ses applications potentielles pourraient révolutionner l’industrie de l’énergie solaire », a déclaré Zhu Zonglong.
La start-up britannique Oxford PV exploite déjà son premier pilote pour une ligne de production à Brandebourg-sur-la-Havel. La société sud-coréenne Hanwha Qcells souhaite mettre en place une production de 100 millions de dollars capable de produire des tandems pérovskite-silicium prêts à être commercialisés d’ici 2026. Des investissements sont également déjà en cours aux États-Unis et en Chine.
Pour Ulrich Paetzold, les cellules solaires à pérovskite « ont le potentiel de révolutionner le marché du photovoltaïque ». Il dirige le département Photovoltaïque de nouvelle génération de l’Institut technologique de Karlsruhe (KIT). Cette technologie pourrait contribuer à réduire davantage le coût de l’électricité, dit-il. Outre la stabilité, Paetzold cite un autre obstacle à surmonter. « En raison des cadences élevées de l’industrie, les processus de production évolutifs doivent déposer la couche de pérovskite très rapidement, de manière extrêmement homogène et sans erreur. »
« Une entrée sur le marché réaliste d’ici deux à cinq ans »
L’essentiel est de pouvoir rivaliser avec la stabilité des modules solaires conventionnels, proposés avec une garantie d’au moins 25 ans. Ce critère est extrêmement exigeant, mais Paetzold se dit optimiste quant aux défis qui pourront être résolus dans les années à venir.
Steve Albrecht, responsable de la recherche sur les cellules solaires à pérovskite au Centre Helmholtz de Berlin et à l’Université technique, ose faire une prévision très précise de leur entrée sur le marché. Il est réaliste de s’attendre à ce que cela se produise d’ici deux à cinq ans, estime l’expert.
Une plus grande indépendance vis-à-vis de la Chine
Albrecht souligne un autre avantage majeur de la technologie : son indépendance par rapport à certaines matières premières. La production de films semi-conducteurs pérovskites nécessite peu d’énergie et ne nécessite aucune matière première rare, explique-t-il. Si une chaîne de valeur devait être établie en Europe, « avec cette technologie, nous serions plus indépendants du marché asiatique. Un pays – la Chine – domine actuellement la production de silicium pour les modules photovoltaïques ».
Stefan Glunz, responsable du département photovoltaïque à l’Institut Fraunhofer pour les systèmes d’énergie solaire de Fribourg, est du même avis. « La plupart des valeurs records actuelles pour les cellules tandem pérovskite-silicium proviennent de groupes de recherche européens », explique-t-il. « La première production pilote de cette nouvelle technologie a également démarré en Europe. Cela montre qu’il existe de très bonnes opportunités pour l’Europe pour la mise en œuvre industrielle de la prochaine génération de cellules solaires. »
De nombreuses possibilités
Les domaines d’application potentiels dans lesquels la nouvelle technologie pourrait s’implanter sont divers. Les modules de cellules tandem très efficaces, capables de produire plus d’électricité dans la même zone que les panneaux conventionnels, offrent de grandes opportunités. Steve Albrecht cite en exemple les toits de maisons et de voitures. « Mais des modules de pérovskite pure pourraient également s’imposer pour certaines applications. Les films semi-conducteurs sont fabriqués à partir de solutions liquides. Les surfaces flexibles ou incurvées de ces cellules ultra fines et légères peuvent également être recouvertes de films, par exemple. Cela ouvre de toutes nouvelles applications. possibilités. »
Les cellules solaires au silicium sont dures et cassantes, ce qui confère aux cellules à base de pérovskite un net avantage dans toute application où la flexibilité joue un rôle, explique Yana Vaynzof, directrice de l’Institut des technologies électroniques avancées à l’Institut Leibniz pour les matériaux d’ingénierie à semi-conducteurs et à semi-conducteurs. Recherche Dresde (IFW). Un exemple est l’approvisionnement en énergie pour les appareils électroniques confortables et portables. Selon Vaynzof, un autre domaine d’application pourrait être celui des cellules solaires ultra fines et semi-transparentes pour les fenêtres intelligentes et le photovoltaïque intégré aux bâtiments.