Cellules solaires : une avancée majeure

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septembre 2016
Nicolas Guillas
Ces cristaux, mis au point à l'Institut des sciences chimiques de Rennes, ont permis de comprendre pourquoi les cellules se dégradaient au soleil.

Dans la course au rendement des cellules solaires, les physiciens rennais enchaînent les découvertes prometteuses.

Le photovoltaïque poursuit sa révolution. Une nouvelle filière est en plein boom. Elle utilise un matériau innovant, appelé pérovskite hybride(1). Le rendement de ces cellules ne cesse de croître, pour atteindre aujourd’hui 22 %, presque autant que celles en silicium ! C’est un bond exponentiel : cette filière a cinq ans à peine. Ces nouvelles cellules sont faciles à fabriquer, à basse température, avec des matières premières à bas coût. Mais il y a un hic. Les performances des cellules pérovskites hybrides ne sont pas stables sous l’éclairage du soleil. Ce paradoxe rend l’industrialisation encore inimaginable. Pour l’instant.

À Rennes, des physiciens du laboratoire Foton(2) et de l’Institut des sciences chimiques de Rennes(3), Jacky Even et Claudine Katan, participent à cette recherche. Leur dernière découverte, qui a fait l’objet d’un article scientifique(4), a été réalisée avec quatre laboratoires américains, à Los Alamos, New York, dans le New Jersey et l’Indiana. Tous ces physiciens et chimistes sont des spécialistes des matériaux(5).

« Les cellules en pérovskite hybride se dégradent très rapidement, de manière irréversible, résume Claudine Katan. En quelques minutes, elles ne fonctionnent plus. Mais nos collègues de Los Alamos ont mis au point récemment des cellules de meilleure qualité. Elles ont l’avantage de rester stables dans le noir. » Ce résultat n’est pas anodin. Il avait fait l’objet d’une publication dans Science en 2015.

C’est réversible !

Des études de photostabilité ont montré que ces nouvelles cellules ont un autre atout : elles se dégradent au soleil, mais très lentement. En deux heures, le rendement passe de 16 à 10 %. « Et cette dégradation est réversible, précise Jacky Even. Cela donne de l’espoir à la filière. » Comment expliquer ce phénomène de dégradation, et quels sont les mécanismes sous-jacents à cette réversibilité prometteuse ? Pour y répondre, les expérimentateurs américains se tournent vers les théoriciens rennais. Cela tombe bien, Jacky Even et Claudine Katan souhaitaient s’associer avec d’autres labos pour valider des hypothèses, et compléter leurs premières données expérimentales. Les Rennais ont compris ce qui se passait. « Dans les cellules mises au point à Los Alamos, ce ne sont pas les atomes qui bougent sous le rayonnement solaire, explique Jacky Even. Des électrons s’accumulent progressivement près des électrodes. Et comme il s’agit d’électrons, c’est réversible ! »

Un autre phénomène a été expliqué : placées dans le noir durant une minute, les cellules s’autoréparent et retrouvent leur rendement ! Cela s’explique par la nature électrostatique du phénomène. Alors, faudrait-il placer un volet au-dessus des panneaux solaires, et faire l’obscurité régulièrement, pour que les cellules retrouvent leur rendement ? Les scientifiques n’ont pas envisagé cette technique digne des Shadoks. Mais ils ont eu une nouvelle idée, en s’appuyant sur ces découvertes, pour que les cellules restent efficaces au soleil et produisent du courant électrique.

Un verrou est levé

Cette avancée majeure vient de faire l’objet d’un article dans Nature(6). « Il existe une solution, en restant dans cette famille de matériaux, avec une structuration atomique légèrement différente », résume Jacky Even. Ces nouvelles cellules ont un rendement photovoltaïque moyen de 12 %, facilement optimisable. Et surtout, elles ne présentent plus aucune dégradation de leur efficacité, après plus de 2200 heures au soleil ! » Ces cellules solaires restant désormais stables, y compris quand la température s’élève, un verrou technologique est levé : l’engouement pour la nouvelle filière solaire pérovskite va être décuplé.

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Nicolas Guillas

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