En ce qui concerne les éléments, le silicium est le second après l’oxygène en termes d’abondance sur Terre. Pour cela et ses propriétés en tant que semi-conducteur, il a longtemps été le pilier de l'électronique. Le matériel est dans tout, des puces informatiques aux radios. Après tout, il tire son nom du centre de l'industrie de la technologie moderne en Californie, la Silicon Valley.
En parlant de la capitale technologique ensoleillée, le silicium est le principal élément utilisé dans les panneaux solaires. Trois téléphones de la Bell Telephone Company du New Jersey, dans les années 50, ont breveté la toute première cellule solaire au silicium, considérée comme pratique, avec la capacité de convertir 6% de la lumière entrante en électricité utilisable. Le matériau domine depuis toujours le marché solaire. Aujourd'hui, plus de 90% des panneaux produits dans le monde sont des panneaux PV au silicium cristallin.
Le silicium a acquis une telle influence sur le marché et l'influence de la concurrence sur le marché solaire que peu de gens savent qu'il existe d'autres options pour le solaire.
Les pérovskites, ou structures cristallines, constituent un nouveau type de cellule solaire, constituée d'éléments communs tels que l'iodure de plomb méthylammonium. Les pérovskites sont plus faciles à fabriquer et ont le potentiel de convertir la lumière du soleil en électricité plus rapidement que les cellules en silicium. Le défi est que les pérovskites sont extrêmement fragiles.
Les scientifiques de l’Université de Stanford, cependant, s’inspirent de la nature. Pour rendre les pérovskites plus durables, ils se sont penchés sur la structure résiliente de l'oeil d'une mouche.
L'œil composé d'une mouche comprend des centaines d'yeux à segment hexagonal, chacun étant protégé par un «échafaudage» protéique organique. Les yeux sont organisés en forme de nid d'abeille, et quand on échoue, les autres fonctionnent encore. L'ensemble de l'orgue affiche une redondance et une durabilité que les chercheurs espèrent recréer dans des panneaux solaires.
Les chercheurs ont soumis les échafaudages remplis de pérovskite à des tests de fracture. (Dauskardt Lab / Université de Stanford) Reinhold Dauskardt et son groupe d'ingénierie des matériaux ont créé un échafaudage en forme de nid d'abeille d'une largeur de 500 microns à partir de matériau photorésistant standard ou sensible à la lumière. Pour emprunter un autre exemple à la nature, tout comme une abeille crée un nid d’abeilles, puis le remplit de miel, les scientifiques construisent cette structure de protection et fabriquent ensuite la perovskite à l’intérieur. Ils font tourner une solution d'éléments à l'intérieur de l'échafaudage, ajoutent de la chaleur et la regardent cristalliser pour obtenir la structure pérovskite et ses propriétés photovoltaïques. Les scientifiques recouvrent ensuite la cellule solaire avec une électrode en argent pour la sceller et sa capacité à capter de l'énergie.
Lors d'un test préliminaire en laboratoire , les cellules solaires de Dauskardt, qui ont à peu près la largeur de six mèches de cheveux, ont conservé leur structure et leur fonctionnalité. Lorsqu'elles ont été exposées à des températures élevées et à une humidité élevée (185 degrés Fahrenheit et 85% d'humidité relative) pendant six semaines, les cellules ont continué à produire de l'électricité à des niveaux constants. L'échafaudage autour des pérovskites n'a pas non plus dissuadé leur puissance électrique.
C'est un exploit qui change la donne. Avant cette innovation, il était très difficile pour les chercheurs de manipuler et de créer des cellules photovoltaïques de pérovskite, sans parler de leur survie dans l'environnement.
«Quand j'ai parlé du photovoltaïque organique au début, je dirais: si vous respirez avec ces matériaux, ils échoueront. Dans le cas des pérovskites, je dis «si vous les regardez, ils échoueront», plaisante Dauskardt, chercheur principal de la nouvelle étude publiée dans Energy and Environment Science .
Les pérovskites peuvent être jusqu'à 100 fois plus fragiles que le verre. Mais avec l’échafaudage utilisé pour le durcir, la durabilité mécanique de la cellule est multipliée par 30. Elle ajoute à la stabilité chimique et mécanique de la cellule afin que les chercheurs puissent la toucher sans la briser et l’exposer à des températures élevées. détérioration.
Lorsqu'ils sont éclairés par le bas, les échafaudages hexagonaux sont visibles dans les régions de la cellule solaire revêtues d'une électrode d'argent. (Dauskardt Lab / Université de Stanford) Des chercheurs de l'Université de Tokyo ont d'abord exploré la cellule photovoltaïque en pérovskite en tant qu'alternative à la cellule photovoltaïque en silicium, puis des chercheurs du monde entier se sont lancés sur le terrain. Les cellules solaires pérovskites ont certainement leurs avantages. Contrairement aux cellules au silicium, qui nécessitent un traitement à haute température pour les purifier et les cristalliser, les cellules solaires en pérovskite sont relativement simples à fabriquer.
«C’est une percée dans une secte de la recherche pérovskite, car c’est la résolution des problèmes rencontrés par les premiers concepts sur la voie de la commercialisation», déclare Dick Co, directeur des opérations et de la sensibilisation du Centre de recherche sur l’énergie solaire Argonne-Nord-Ouest (ANSER). Cela dit, il reconnaît que le développement n’est pas universellement applicable à toutes les recherches sur les cellules solaires au perovskite. Il y a tellement de façons de fabriquer des cellules solaires pérovskites, et chaque laboratoire a son propre objectif.
Les structures cristallines pouvant être composées de divers éléments, les possibilités esthétiques sont nombreuses. Les cellules solaires peuvent être installées dans des fenêtres, des toits de voitures ou d'autres surfaces exposées à la lumière. Certaines entreprises impriment même les cellules.
Les co-suspects de cellules solaires pérovskites auront d’abord un impact sur des marchés de niche
«Je pouvais les voir vendus sur des chargeurs de clavier pour iPad, intégrés dans des bâtiments et peut-être sur des automobiles, comme le capot incurvé d'une voiture», dit-il. «Mais il est difficile d’imaginer fabriquer un [prototype] de cellule solaire en pérovskite de la taille d’une vignette grande et largement déployée, en particulier lorsque les usines solaires au silicium extraient suffisamment de modules pour couvrir les petits pays.»
Néanmoins, avec l'amélioration de l'efficacité et de la durabilité, les chercheurs sont en train de préparer une cellule prête à produire de l'électricité dans de nombreux environnements. Les chercheurs ont demandé un brevet provisoire.
Dans la nouvelle cellule solaire, un échafaudage hexagonal (gris) est utilisé pour répartir la pérovskite (noire) en microcellules afin de fournir une stabilité mécanique et chimique. (Dauskardt Lab / Université de Stanford) Dans le test de Dauskardt, les cellules ont atteint un taux d'efficacité de 15%, ce qui est bien supérieur au premier test réalisé en 2009 qui convertissait 4% de la lumière en électricité. Les taux d'efficacité des panneaux de silicium se situent autour de 25% et, en laboratoire, les pérovskites ont atteint 20%. Les chercheurs ont estimé la capacité de rendement théorique des pérovskites photovoltaïques à environ 30%.
Dauskardt pense que son équipe pourra peut-être améliorer l'échafaudage, construit à l'origine avec des matériaux bon marché et facilement disponibles, afin d'accroître l'efficacité de la cellule.
«Nous étions tellement surpris que nous puissions en fabriquer un aussi facilement que possible. Maintenant, la question est de savoir s'il existe de meilleurs échafaudages que nous pouvons utiliser. Comment pouvons-nous récupérer la lumière qui tomberait sur le mur d'échafaudage? », Déclare Dauskardt. Avec ses collègues, il envisage de faire des expériences avec des matériaux diffusant des particules de lumière.
Avec un potentiel de fabrication bon marché, une commercialisation relativement rapide (selon Dauskardt dans les trois à cinq prochaines années) et des applications incroyablement diverses, la cellule solaire en pérovskite pourrait bien constituer le prochain grand panneau solaire des années 2020 et au-delà.
Alors, quand cette mouche bourdonne dans votre oreille, soyez assuré que la nature, sous toutes ses formes, inspire.
