L'énergie solaire est considérée comme l'une des sources d'énergie les plus propres et les plus abondantes. Au fil des ans, les chercheurs et les scientifiques ont travaillé sans relâche à l'amélioration des technologies de conversion de l'énergie solaire afin de les rendre plus efficaces, plus rentables et plus durables. L'une des dernières percées dans le domaine de la conversion de l'énergie solaire a été la découverte des pérovskites et de leurs propriétés uniques.

Comprendre les pérovskites et leurs propriétés uniques

Les pérovskites ont fait des vagues dans la communauté scientifique, en particulier dans le domaine de l'énergie solaire. Leurs propriétés uniques en font une alternative prometteuse aux cellules solaires traditionnelles au silicium. Avant d'aborder les avantages des pérovskites dans le domaine de l'énergie solaire, il convient de comprendre ce que sont les pérovskites et leur structure cristalline.

Que sont les pérovskites ?

Les pérovskites sont un type de minéral qui a été découvert pour la première fois dans les montagnes de l'Oural en Russie au début du 19e siècle. Le minéral a été nommé d'après Lev Perovski, un minéralogiste russe qui l'a identifié pour la première fois. Depuis lors, les scientifiques ont étudié en profondeur ces minéraux et découvert leurs propriétés uniques.

Les pérovskites sont un groupe de matériaux qui ont la même structure cristalline que le minéral pérovskite. Leur formule chimique générale est ABX3, où A et B sont des cations et X un anion. Dans les pérovskites, le cation A est généralement un métal alcalin ou un métal alcalino-terreux, le cation B est généralement un métal de transition et l'anion X est généralement de l'oxygène.

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La structure cristalline des pérovskites

La structure cristalline des pérovskites consiste en une combinaison de cations métalliques, d'atomes d'oxygène et d'halogénures tels que l'iode ou le brome. Cette disposition unique des atomes confère aux pérovskites leurs propriétés uniques, telles qu'une capacité d'absorption de la lumière et une mobilité des porteurs de charge élevées.

La structure cristalline des pérovskites peut être visualisée comme un réseau tridimensionnel d'octaèdres BX6 à coins partagés, les cations A étant situés dans les vides entre les octaèdres. Les octaèdres sont déformés, ce qui donne lieu aux propriétés uniques des pérovskites.

Principaux avantages des pérovskites dans le domaine de l'énergie solaire

Les propriétés uniques des pérovskites en font une alternative prometteuse aux cellules solaires traditionnelles au silicium. Voici quelques-uns des avantages des pérovskites dans le domaine de l'énergie solaire :

• Capacité élevée d'absorption de la lumière : Les pérovskites ont une grande capacité d'absorption de la lumière, ce qui signifie qu'elles peuvent absorber plus de lumière solaire que les cellules solaires traditionnelles.
• Faible coût de fabrication : Les pérovskites peuvent être fabriquées à l'aide de matériaux et de procédés peu coûteux, ce qui les rend moins chères à produire que les cellules solaires traditionnelles.
• Possibilité de dépôt sur des substrats flexibles : Les pérovskites peuvent être déposées sur des substrats flexibles, ce qui les rend idéales pour les cellules solaires flexibles et d'autres applications.
• Rendement élevé de conversion de l'énergie : Les pérovskites ont un rendement de conversion élevé, ce qui signifie qu'elles peuvent convertir un pourcentage plus élevé de la lumière du soleil en électricité que les cellules solaires traditionnelles.

Les pérovskites sont encore une technologie relativement nouvelle, et certains défis doivent être relevés avant qu'elles ne soient largement adoptées. Par exemple, les pérovskites ne sont pas aussi stables que les cellules solaires traditionnelles et elles peuvent se dégrader avec le temps lorsqu'elles sont exposées à l'humidité et à la chaleur. Toutefois, les chercheurs travaillent à la mise au point de pérovskites plus stables, capables de résister à des conditions environnementales difficiles.

L'évolution des technologies de conversion de l'énergie solaire

Les technologies de conversion de l'énergie solaire ont beaucoup évolué depuis la découverte de l'effet photovoltaïque à la fin du XIXe siècle. L'effet photovoltaïque a été observé pour la première fois par le physicien français Alexandre-Edmond Becquerel en 1839, mais ce n'est que dans les années 1950 que les scientifiques ont commencé à en développer des applications pratiques.

Au fil des ans, les chercheurs ont mis au point différents types de cellules solaires, chacune présentant des avantages et des limites qui lui sont propres. Les cellules solaires les plus couramment utilisées sont les suivantes :

Cellules solaires traditionnelles au silicium

Les cellules solaires traditionnelles au silicium sont le type le plus courant de cellules solaires utilisées dans les applications commerciales. Elles sont connues pour leur rendement élevé, leur durabilité et leur longue durée de vie. Les cellules solaires au silicium fonctionnent en absorbant les photons du soleil et en les convertissant en électricité. Ce processus est connu sous le nom d'effet photovoltaïque.

Cependant, leur coût de fabrication élevé et le fait qu'elles soient rigides et lourdes limitent leur adoption à grande échelle. Les cellules solaires au silicium sont également sensibles aux températures élevées et à l'ombrage, ce qui peut réduire leur efficacité.

Cellules solaires à couche mince

Les cellules solaires à couche mince sont fabriquées en déposant une fine couche de matériau semi-conducteur sur un substrat. Elles sont beaucoup plus légères et flexibles que les cellules solaires au silicium et peuvent être fabriquées à moindre coût. Les cellules solaires à couche mince peuvent être fabriquées à partir de divers matériaux, notamment le silicium amorphe, le tellurure de cadmium et le séléniure de cuivre, d'indium et de gallium.

Toutefois, leur efficacité est inférieure à celle des cellules solaires traditionnelles en silicium et elles peuvent se dégrader rapidement. Les cellules solaires à couche mince sont également plus sensibles aux températures élevées et à l'ombrage que les cellules solaires au silicium.

L'émergence des cellules solaires à pérovskite

Les cellules solaires à pérovskite sont un type de cellule solaire relativement nouveau qui a attiré l'attention des chercheurs en raison de leur rendement élevé et de leur faible coût de fabrication. Les cellules solaires à pérovskite sont fabriquées en déposant une couche de pérovskite sur un substrat, qui peut être souple et léger.

Les cellules solaires en pérovskite ont le potentiel d'être plus efficaces que les cellules solaires traditionnelles en silicium, certains groupes de recherche faisant état de rendements supérieurs à 25 %. Les cellules solaires pérovskites sont également moins chères à fabriquer que les cellules solaires au silicium, car elles peuvent être fabriquées à l'aide de techniques simples de traitement des solutions.

Toutefois, les cellules solaires à pérovskite en sont encore à leurs premiers stades de développement et les chercheurs travaillent à améliorer leur stabilité et leur durabilité. Les cellules solaires à pérovskite sont également sensibles à l'humidité et peuvent se dégrader rapidement si elles ne sont pas protégées.

Fonctionnement des cellules solaires à pérovskite

Les cellules solaires pérovskites sont une technologie prometteuse dans le domaine des énergies renouvelables. Elles fonctionnent sur le principe de l' effet photovoltaïque, qui implique la conversion de la lumière en énergie électrique. Ce processus est rendu possible par les propriétés uniques des pérovskites.

Les pérovskites sont une classe de matériaux dont la structure cristalline est similaire à celle du minéral pérovskite. Elles sont connues pour leurs excellentes propriétés d'absorption de la lumière et leur photoconductivité élevée, ce qui les rend idéales pour une utilisation dans les cellules solaires.

La structure de base d'une cellule solaire à pérovskite

Une cellule solaire pérovskite typique présente une structure en sandwich composée de plusieurs couches. La première couche est une électrode transparente, généralement constituée d'oxyde d'indium et d'étain. Cette couche permet à la lumière de passer à travers et d'atteindre la couche de pérovskite.

La couche de pérovskite est le cœur de la cellule solaire. Elle est responsable de l'absorption de la lumière et de la création d'une paire électron-trou. La paire électron-trou est ensuite séparée par le champ électrique créé par les différentes couches de la cellule solaire.

La couche de transport d'électrons est la couche suivante de la cellule solaire. Son rôle est de transporter les électrons jusqu'à l'électrode de contact, où ils peuvent être collectés et utilisés pour produire de l'énergie électrique.

La dernière couche est l'électrode de contact, qui est chargée de collecter les électrons et de les transférer à un circuit externe. C'est là que l'énergie électrique est générée et utilisée.

Le rôle des pérovskites dans l'absorption de la lumière

L'une des fonctions les plus importantes des pérovskites dans le domaine de l'énergie solaire est leur capacité à absorber une large gamme de longueurs d'onde. Cette propriété est due à la structure cristalline des pérovskites, qui leur permet d'absorber efficacement la lumière. Les cellules solaires pérovskites sont donc l'une des technologies les plus prometteuses en matière d'énergie renouvelable.

Séparation et transport des charges dans les cellules solaires à pérovskite

Lorsque la lumière est absorbée par la couche de pérovskite, une paire électron-trou est créée. Le champ électrique créé par les différentes couches de la cellule solaire sépare alors l'électron et le trou. Les électrons traversent ensuite la couche de transport d'électrons, créant ainsi un flux de courant électrique.

Le courant électrique généré par la cellule solaire en pérovskite peut être utilisé pour alimenter des appareils électroniques ou être stocké dans des batteries pour une utilisation ultérieure. Les cellules solaires à pérovskite constituent donc une excellente option pour les sources d'énergie renouvelables qui peuvent alimenter des maisons, des entreprises et même des villes entières.

Progrès dans l'efficacité des cellules solaires en pérovskite

Malgré leurs nombreux avantages, les cellules solaires à pérovskite sont confrontées à des difficultés telles que des problèmes de stabilité et une faible durabilité. Les chercheurs s'efforcent de relever ces défis et d'améliorer leur efficacité.

Surmonter les problèmes de stabilité

L'un des principaux défis auxquels sont confrontées les cellules solaires à pérovskite est leur faible stabilité, en particulier dans des conditions environnementales difficiles. Cependant, les chercheurs ont réalisé des progrès significatifs dans l'amélioration de leur stabilité en introduisant des additifs, des matériaux d'encapsulation et d'autres couches protectrices.

Amélioration de l'absorption de la lumière et du transport des charges

Les chercheurs ont également travaillé sur l'amélioration de la capacité d'absorption de la lumière et de la mobilité des porteurs de charge des cellules solaires en pérovskite afin d'améliorer leur efficacité. Parmi les techniques utilisées figurent l'introduction de nouveaux matériaux et l'optimisation de l'épaisseur et de la composition des couches de la cellule solaire.

Cellules solaires en tandem : Combinaison de pérovskites et de silicium

L'une des approches les plus prometteuses pour améliorer l'efficacité des cellules solaires à pérovskite consiste à les combiner avec des cellules solaires traditionnelles au silicium. Les cellules solaires en tandem qui combinent les pérovskites et le silicium peuvent atteindre un rendement beaucoup plus élevé que l'une ou l'autre des cellules prises séparément.

Conclusion

Les pérovskites sont très prometteuses pour révolutionner les technologies de conversion de l'énergie solaire en raison de leurs propriétés uniques et de leur faible coût de fabrication. Les chercheurs travaillent continuellement à l'amélioration de leur efficacité et de leur stabilité, ce qui en fait une alternative prometteuse aux cellules solaires traditionnelles au silicium.