La science derrière les cellules solaires à pérovskite : un guide complet

Les cellules solaires à pérovskite sont apparues comme une alternative prometteuse aux cellules solaires conventionnelles à base de silicium, grâce à leurs propriétés uniques et à leur potentiel de production d'énergie à faible coût et à haut rendement. Ces dernières années, l'efficacité des cellules solaires à pérovskite a explosé, atteignant des niveaux comparables à ceux des cellules solaires traditionnelles. Ces progrès rapides ont suscité un large intérêt dans la communauté scientifique, alors que les chercheurs s'efforcent de libérer tout le potentiel de cette technologie innovante. Pour mieux comprendre la science derrière les cellules solaires à pérovskite, il est essentiel de se plonger dans leur structure, leur composition et leurs principes de fonctionnement.

Les cellules solaires à pérovskite tirent leur nom de la structure cristalline de la pérovskite, qui a été découverte pour la première fois au 19e siècle par le minéralogiste russe Lev Perovski. Le terme « pérovskite » fait référence à une famille de matériaux avec une structure cristalline spécifique, caractérisée par un gros ion métallique chargé positivement (tel que le plomb ou l'étain) entouré d'une cage d'ions chargés négativement (tels que les halogénures comme l'iode, le brome ou le chlore). Le matériau pérovskite le plus couramment utilisé dans les cellules solaires est l'halogénure de plomb de méthylammonium (CH3NH3PbX3, où X peut être l'iode, le brome ou le chlore).

Les propriétés uniques des matériaux pérovskites les rendent idéaux pour une utilisation dans les cellules solaires. Ils ont un coefficient d'absorption élevé, ce qui signifie qu'ils peuvent absorber une grande quantité de lumière solaire et la convertir en électricité. De plus, les matériaux pérovskites ont une longue longueur de diffusion des porteurs, ce qui permet aux porteurs de charge (électrons et trous) de parcourir de longues distances dans le matériau sans se recombiner. Il en résulte une probabilité plus élevée que les porteurs de charge atteignent les électrodes et génèrent un courant électrique.

Les cellules solaires en pérovskite sont généralement composées de plusieurs couches, chacune ayant une fonction spécifique. La couche inférieure, appelée couche de transport d'électrons (ETL), est constituée d'un matériau qui transporte sélectivement les électrons, comme le dioxyde de titane (TiO2) ou l'oxyde de zinc (ZnO). Au-dessus de l'ETL se trouve la couche de pérovskite, qui absorbe la lumière du soleil et génère des porteurs de charge. Au-dessus de la couche de pérovskite se trouve la couche de transport de trous (HTL), constituée d'un matériau qui transporte sélectivement les trous, comme le spiro-OMeTAD ou le PEDOT:PSS. Enfin, une électrode métallique, telle que de l'or ou de l'argent, est déposée sur le HTL pour collecter les porteurs de charge et générer un courant électrique.

Lorsque la lumière du soleil frappe la couche de pérovskite, les photons avec une énergie suffisante excitent les électrons de la bande de valence vers la bande de conduction, créant des paires électron-trou. Le champ électrique à l'intérieur de la cellule solaire sépare ces porteurs de charge, les électrons migrant vers l'ETL et les trous vers le HTL. Les propriétés de transport sélectif de l'ETL et du HTL garantissent que les électrons et les trous ne se recombinent pas, leur permettant d'atteindre les électrodes et de générer un courant électrique.

L'un des principaux avantages des cellules solaires en pérovskite est leur potentiel de production à faible coût. Contrairement aux cellules solaires à base de silicium, qui nécessitent un traitement à haute température et des matériaux coûteux, les cellules solaires en pérovskite peuvent être fabriquées à l'aide de techniques basées sur des solutions, telles que le spin-coating ou l'impression à jet d'encre. Cela permet la production de cellules solaires minces, légères et flexibles à une fraction du coût des cellules solaires traditionnelles.

Malgré leurs propriétés prometteuses, les cellules solaires à pérovskite sont encore confrontées à plusieurs défis qui doivent être relevés avant de pouvoir être largement adoptées. L'une des principales préoccupations est leur stabilité à long terme, car les matériaux pérovskites sont sensibles à l'humidité, à la chaleur et à la lumière ultraviolette. Les chercheurs travaillent activement au développement de nouveaux matériaux et architectures de dispositifs pour améliorer la stabilité et la durabilité des cellules solaires en pérovskite.

En conclusion, la science derrière les cellules solaires à pérovskite offre une voie prometteuse vers une production d'énergie solaire à faible coût et à haut rendement. Alors que les chercheurs continuent d'explorer et d'optimiser les propriétés des matériaux pérovskites, il est probable que nous verrons des progrès significatifs dans ce domaine passionnant dans les années à venir.