Une nouvelle catégorie de technologie d’énergie solaire, fabriquée à partir de semi-conducteurs en pérovskite, a franchi le cap longtemps recherché des 30 ans de durée de vie. Les chercheurs en ingénierie de Princeton qui ont conçu ce nouveau dispositif ont également révélé une nouvelle méthode pour tester les performances à long terme, un obstacle clé sur la voie de la commercialisation. Crédit : Photos par Bumper DeJesus
Cellules solaires pérovskites de 30 ans et nouvelle technique pour les tester à long terme.
Les scientifiques de Princeton Engineering ont développé la première cellule solaire en pérovskite avec une durée de vie commercialement viable, marquant ainsi une étape importante pour une classe émergente de technologie d’énergie renouvelable. L’équipe de recherche prévoit que son dispositif peut avoir des performances supérieures aux normes industrielles pendant environ 30 ans, bien plus que les 20 ans utilisés comme seuil de viabilité pour les cellules solaires.
Le dispositif est non seulement très durable, mais il répond également aux normes d’efficacité courantes. En fait, il est le premier de son genre à rivaliser avec les performances des cellules à base de silicium, qui ont dominé le marché depuis leur introduction en 1954.
Les pérovskites sont des semi-conducteurs dotés d’une structure cristalline particulière qui les rend bien adaptés à la technologie des cellules solaires. Elles peuvent être fabriquées à température ambiante, en utilisant beaucoup moins d’énergie que le silicium, ce qui les rend moins chères et plus durables à produire. Et alors que le silicium est rigide et opaque, les pérovskites peuvent être rendus flexibles et transparents, ce qui permet d’étendre l’énergie solaire bien au-delà des panneaux rectangulaires emblématiques qui peuplent les collines et les toits des États-Unis.
Une série de cellules solaires en pérovskite sont placées sous une lumière vive à haute température au cours d’un processus de vieillissement et de test accéléré mis au point par des chercheurs de Princeton Engineering. Cette nouvelle méthode d’essai marque une étape importante vers la commercialisation de cellules solaires avancées. Crédit : Photo par Bumper DeJesus
Mais contrairement au silicium, les pérovskites sont notoirement fragiles. Les premières cellules solaires en pérovskite (PSC), créées entre 2009 et 2012, ne duraient que quelques minutes. La durée de vie prévue du nouveau dispositif représente un quintuplement du précédent record, établi par une PSC de moindre efficacité en 2017. (Ce dispositif a fonctionné sous un éclairage continu à température ambiante pendant un an. Le nouveau dispositif fonctionnerait pendant cinq ans dans des conditions de laboratoire similaires).
L’équipe de Princeton, dirigée par Lynn Loo, titulaire de la chaire d’ingénierie Theodora D. ’78 et William H. Walton III ’74, a révélé son nouveau dispositif et sa nouvelle méthode de test de ces dispositifs dans un article publié le 16 juin 2022 dans la revue Science.
Loo a déclaré que la conception du record a mis en évidence le potentiel durable des PSC, en particulier comme moyen de pousser la technologie des cellules solaires au-delà des limites du silicium. Mais elle a également indiqué qu’au-delà du résultat principal, la nouvelle technique de vieillissement accéléré de son équipe était la signification la plus profonde de ce travail.
Vue agrandie d’une cellule solaire en pérovskite hautement stable au cours d’un processus de vieillissement accéléré qui aide les chercheurs à prévoir les durées de vie prolongées des conceptions avancées. Crédit : Photo par Bumper DeJesus
“Nous avons peut-être le record aujourd’hui, a-t-elle déclaré, mais quelqu’un d’autre viendra demain avec un meilleur record. Ce qui est vraiment passionnant, c’est que nous avons maintenant un moyen de tester ces dispositifs et de savoir comment ils se comporteront sur le long terme.”
En raison de la fragilité bien connue des pérovskites, les tests à long terme n’étaient pas vraiment une préoccupation jusqu’à présent. Mais au fur et à mesure que les dispositifs s’améliorent et durent plus longtemps, il deviendra crucial de tester une conception par rapport à une autre pour déployer des technologies durables et conviviales.
“Cet article va probablement servir de prototype à tous ceux qui cherchent à analyser les performances à l’intersection de l’efficacité et de la stabilité”, a déclaré Joseph Berry, chercheur principal au National Renewable Energy Laboratory, spécialiste de la physique des cellules solaires, qui n’a pas participé à cette étude. “En produisant un prototype pour étudier la stabilité, et en montrant ce qui peut être extrapolé… [through accelerated testing]En produisant un prototype pour étudier la stabilité et en montrant ce qui peut être extrapolé[through accelerated testing]on fait le travail que tout le monde veut voir avant de commencer les essais sur le terrain à grande échelle. Cela permet de faire des projections d’une manière qui est vraiment impressionnante.”
Alors que l’efficacité s’est accélérée à un rythme remarquable au cours de la dernière décennie, a déclaré Berry, la stabilité de ces dispositifs s’est améliorée plus lentement. Pour qu’ils se généralisent et soient déployés par l’industrie, les tests devront devenir plus sophistiqués. C’est là qu’intervient le processus de vieillissement accéléré de Loo.
“Ces types de testsvont prendre de plus en plus d’importance”, a déclaré M. Loo. “Vous pouvez fabriquer les cellules solaires les plus efficaces, mais cela n’aura aucune importance si elles ne sont pas stables”.
Comment ils sont arrivés là
Au début de 2020, l’équipe de Loo travaillait sur diverses architectures de dispositifs qui maintiendraient une efficacité relativement forte – convertissant suffisamment de lumière solaire en énergie électrique pour leur donner de la valeur – et survivraient aux assauts de la chaleur, de la lumière et de l’humidité qui bombardent une cellule solaire au cours de sa vie.
Xiaoming Zhao, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Loo, a travaillé sur un certain nombre de modèles avec ses collègues. Ils ont superposé différents matériaux afin d’optimiser l’absorption de la lumière tout en protégeant les zones les plus fragiles de l’exposition. Ils ont mis au point une couche de recouvrement ultrafine entre deux composants cruciaux : la couche de pérovskite absorbante et une couche porteuse de charges composée de sel cuivrique et d’autres substances. L’objectif était d’empêcher le semi-conducteur pérovskite de s’épuiser en quelques semaines ou mois, ce qui était la norme à l’époque.
Il est difficile de comprendre à quel point cette couche de recouvrement est mince. Les scientifiques utilisent le terme 2D pour la décrire, ce qui signifie deux dimensions, comme quelque chose qui n’a aucune épaisseur. En réalité, elle n’a que quelques atomes d’épaisseur, soit plus d’un million de fois moins que la plus petite chose que l’œil humain peut voir. Si l’idée d’une couche de recouvrement en 2D n’est pas nouvelle, elle est néanmoins considérée comme une technique émergente et prometteuse. Les scientifiques du NREL ont montré que les couches 2D peuvent grandement améliorer les performances à long terme, mais personne n’avait mis au point un dispositif poussant les pérovskites à se rapprocher du seuil commercial d’une durée de vie de 20 ans.
Zhao et ses collègues ont examiné des dizaines de permutations de ces modèles, en modifiant des détails infimes de la géométrie, en variant le nombre de couches et en essayant des dizaines de combinaisons de matériaux. Chaque modèle a été placé dans le caisson lumineux, où ils ont pu irradier les dispositifs sensibles avec une lumière vive incessante et mesurer la baisse de leurs performances au fil du temps.
À l’automne de cette année-là, alors que la première vague de la pandémie s’est calmée et que les chercheurs sont retournés dans leurs laboratoires pour s’occuper de leurs expériences en équipes soigneusement coordonnées, Zhao a remarqué quelque chose de bizarre dans les données. Un ensemble d’appareils semblait encore fonctionner près de son efficacité maximale.
“Il n’y avait pratiquement aucune baisse après presque six mois”, a-t-il dit.
C’est alors qu’il a réalisé qu’il avait besoin d’un moyen de tester son appareil plus rapidement que son expérience en temps réel ne le permettait.
“La durée de vie que nous voulons est d’environ 30 ans, mais vous ne pouvez pas prendre 30 ans pour tester votre appareil “, a déclaré Zhao. “Nous avons donc besoin d’un moyen de prédire cette durée de vie dans un délai raisonnable. C’est pourquoi ce vieillissement accéléré est très important.”
La nouvelle méthode d’essai accélère le processus de vieillissement en éclairant l’appareil tout en le soumettant à une forte chaleur. Ce processus accélère ce qui se produirait naturellement après des années d’exposition régulière. Les chercheurs ont choisi quatre températures de vieillissement et ont mesuré les résultats sur ces quatre flux de données différents, de la température de base d’une journée d’été typique à une température extrême de 230 degrés Fahrenheit, higher than the boiling point of water.
They then extrapolated from the combined data and forecast the device’s performance at room temperature over tens of thousands of hours of continuous illumination. The results showed a device that would perform above 80 percent of its peak efficiency under continuous illumination for at least five years at an average temperature of 95 degrees Fahrenheit. Using standard conversion metrics, Loo said that’s the lab equivalent of 30 years of outdoor operation in an area like Princeton, NJ.
Berry of NREL concurred. “It’s very credible,” he said. “Some people are still going to want to see it play out. But this is much more credible science than a lot of other attempts at forecasting.”
The Michael Jordan of solar cells
Perovskite solar cells were pioneered in 2006, with the first published devices following in 2009. Some of the earliest devices lasted only seconds. Others minutes. In the 2010s the device lifetimes grew to days and weeks and finally months. Then in 2017, a group from Switzerland published a groundbreaking paper on a PSC that lasted for one full year of continuous illumination.
Meanwhile, the efficiency of these devices has skyrocketed over the same period. While the first PSC showed a power-conversion efficiency of less than 4 percent, researchers boosted that metric nearly tenfold in as many years. It was the fastest improvement scientists had seen in any class of renewable-energy technology to date.
So why the push for perovskites? Berry said a combination of recent advances make them uniquely desirable: newly high efficiencies, an extraordinary “tunability” that allows scientists to make highly specific applications, the ability to manufacture them locally with low energy inputs, and now a credible forecast of extended life coupled with a sophisticated aging process to test a wide array of designs.
Loo said it’s not that PSCs will replace silicon devices so much that the new technology will complement the old, making solar panels even cheaper, more efficient, and more durable than they are now, and expanding solar energy into untold new areas of modern life. For example, her group recently demonstrated a completely transparent perovskite film (having different chemistry) that can turn windows into energy-producing devices without changing their appearance. Other groups have found ways to print photovoltaic inks using perovskites, allowing form factors scientists are only now dreaming up.
But the main advantage in the long run, according to both Berry and Loo: Perovskites can be manufactured at room temperature, whereas silicon is forged at around 3000 degrees Fahrenheit. That energy has to come from somewhere, and at the moment that means burning a lot of fossil fuels.
Berry added this: Because scientists can tune perovskite properties easily and broadly, they allow disparate platforms to work smoothly together. That could be key in wedding silicon with emerging platforms such as thin-film and organic photovoltaics, which have also made great progress in recent years.
“It’s sort of like Michael Jordan on the basketball court,” he said. “Great on its own, but it also makes all the other players better.”
Reference: “Accelerated aging of all-inorganic, interface-stabilized perovskite solar cells” by Xiaoming Zhao, Tianran Liu, Quinn C. Burlingame, Tianjun Liu, Rudolph Holley, Guangming Cheng, Nan Yao, Feng Gao and Yueh-Lin Loo, 16 June 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abn5679
The paper “Accelerated aging of all-inorganic, interface-stabilized perovskite solar cells” was published with support from the National Science Foundation; the U.S. Department of Energy, via Brookhaven National Laboratory; the Swedish Government Strategic Research Area in Materials Science on Functional Materials; and the Princeton Imaging and Analysis Center. In addition to Loo and Zhao, contributing authors include Tianjun Liu and Feng Gao, both from Linköping University; and Tianran Liu, Quinn C. Burlingame, Rudolph Holley III, Guangming Cheng and Nan Yao, all from Princeton University.
