Le silicium est le matériau le plus largement utilisé dans les technologies des cellules photovoltaïques. Cependant, ce n’est pas le seul capable de transformer la lumière du soleil en électricité. Une équipe de chercheurs de l’université de Princeton a dévoilé le 16 juin dans un article de la revue Science qu’un minéral, la pérovskite, pouvait servir à la conception de matériaux photovoltaïques. Ils sont moins coûteux, mais ils se détériorent plus rapidement. Les chercheurs sont parvenus à ralentir leur vitesse de dégradation pour en faire une alternative intéressante dans la fabrication des panneaux solaires.

Les pérovskites ont une durée de vie plus courte que le silicium

Il existe une grande variété de pérovskites qui pourraient remplacer le silicium dans la conception des cellules photovoltaïques. Ils sont moins coûteux et plus simples à transformer, mais jusqu’à présent leur durabilité était très courte lors de l’exposition à la lumière du soleil. Les chercheurs de Princeton ont réussi à les rendre plus stables à travers plusieurs expérimentations. L’objectif étant de leur donner une durée de vie similaire au silicium tout en conservant l’efficacité des panneaux solaires.

Pour être utilisées dans les cellules photovoltaïques, les pérovskites sont cristallisées. Elles sont combinées avec des composés chimiques ou divers éléments pour prendre cette forme. Le plomb représente l’élément le plus souvent utilisé pour cristalliser les pérovskites. Le processus de cristallisation se fait par précipitation chimique, c’est-à-dire que les matériaux sont combinés sous la forme d’une solution liquide. Une méthode réalisable facilement et à moindre coût.

Le principe des cellules photovoltaïques repose sur la conversion des photons présents dans la lumière du soleil en charge électrique. Les pérovskites convertissent actuellement 17% des photons contre 22% pour le silicium. Il existe toutefois une grande diversité de pérovskites, dont certaines qui pourraient avoir une efficacité similaire au silicium.

La pérovskite brute prend souvent l'apparence de petit bloc à l'aspect métallique. Photographie : Wikimedia / Leon Hupperichs.

Ces matériaux ouvrent le champ des possibles pour les technologies photovoltaïques

En une année d’utilisation, les pérovskites perdent une part importante de leur performance. Cette réalité provient de la nature même du cristal, dont les atomes sont éjectés loin de lui lors de l’exposition à la lumière. Les chercheurs ont conçu un « bouchon » qui empêche l’éloignement des atomes et donc la fragilisation du cristal. Le bouchon est constitué des mêmes atomes que le cristal ce qui bloque leur expulsion. Il doit tout de même conserver une épaisseur de 20 nanomètres pour permettre le passage des charges électriques vers la couche de la cellule photovoltaïque qui crée le courant.

Afin de tester la durée de vie des pérovskites, les scientifiques de Princeton ont observé la détérioration sur une courte période et l’ont extrapolée à l’aide d’une formule. Ainsi, leurs calculs ont déterminé le moment où le panneau solaire ne fonctionne plus qu’à 80% de ses capacités maximums, appelé T80.

Le T80 serait atteint après 2100 heures d’utilisation permanente du panneau solaire, exposé à une température extrême de 110°C. Dans les faits, la température moyenne d’exposition est de 35°C, ce qui correspondrait à une durée de vie de cinq ans. Si les météos froides et nuageuses sont prises en compte, la longévité du panneau peut être doublée. Cela signifie que les régions exposées à des intempéries pourraient préférer l'utilisation des pérovskites par souci de rentabilité.

Cette avancée technologique rendrait la conception des panneaux solaires moins coûteuse, mais Ars Technica précise que leur efficacité est plus faible si on compare les panneaux individuellement. Le faible coût de production des cristaux de pérovskite reste un argument compétitif. Il existe également une grande variété de pérovskites qui n’ont pas encore été découvertes et dont les performances pourraient être plus importantes que le silicium. Les pérovskites peuvent également être utilisées pour fabriquer des lampes LED moins énergivores, rapportait début juin Trust My Science.

Même si le silicium est un des éléments les plus abondants sur Terre, il est utilisé dans de nombreux secteurs, dont la conception des semi-conducteurs. En octobre 2021, son prix avait augmenté de 300% à cause d’une pénurie. La découverte des pérovskites comme alternatives pour les panneaux photovoltaïques représente une aubaine dans le développement des énergies renouvelables.