Rendre les cellules solaires en pérovskite enfin résistantes aux intempéries et adaptées à une utilisation pratique
Des chercheurs de la TUM découvrent comment les cellules solaires vieillissent et développent une solution
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Les cellules solaires à pérovskite comptent parmi les technologies les plus prometteuses pour rendre l'énergie solaire moins chère et plus efficace. En collaboration avec des partenaires de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT), de DESY (Deutsches Elektronen-Synchroton) et de l'Institut royal de technologie KTH de Stockholm, l'équipe a découvert les mécanismes microscopiques à l'origine de la détérioration du matériau sous l'effet des variations de température et a mis au point une stratégie pour la prévenir. Leur approche consiste à stabiliser la fragile structure cristalline à l'aide d'"ancres" moléculaires spécialement conçues à cet effet.
Les cellules solaires à pérovskite comptent parmi les technologies les plus prometteuses pour rendre l'énergie solaire moins chère et plus efficace. En collaboration avec des partenaires de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT), de DESY (Deutsches Elektronen-Synchroton) et de l'Institut royal de technologie KTH de Stockholm, l'équipe a découvert les mécanismes microscopiques à l'origine de la détérioration du matériau sous l'effet des variations de température et a mis au point une stratégie pour la prévenir. Leur approche consiste à stabiliser la fragile structure cristalline à l'aide d'"ancres" moléculaires spécialement conçues.
Au-delà du laboratoire : Survivre dans le monde réel
Pour atteindre les objectifs climatiques de demain, les cellules solaires doivent durer des décennies. Bien que les pérovskites aient atteint une efficacité record dans la conversion de la lumière solaire en électricité, elles sont confrontées à un ennemi brutal dans la nature : les changements de température extrêmes. Les experts parlent de cycle thermique. En une seule journée, un panneau solaire peut passer d'une nuit glaciale à une chaleur torride. Ces conditions réelles, chauffage et refroidissement répétés, peuvent déclencher une phase de dégradation précoce au cours de laquelle les cellules solaires pérovskites risquent de perdre leurs performances relatives.
"Si nous voulons que ces cellules soient présentes sur tous les toits, nous devons nous assurer qu'elles ne sont pas seulement performantes en laboratoire, mais qu'elles supportent le stress des saisons", explique le professeur Peter Müller-Buschbaum, titulaire de la chaire de matériaux fonctionnels à l'école des sciences naturelles de la TUM et membre du pôle d'excellence sur la conversion électronique. Son équipe de recherche travaille sur ce défi et a identifié les causes microscopiques de cette instabilité. Elle a mis au point de nouvelles stratégies de conception pour rendre la couche supérieure des cellules solaires en tandem plus robuste, ce qui leur permet de résister aux conditions du monde réel. Les cellules solaires en tandem sont constituées de cellules solaires empilées (deux au minimum) et exploitent donc mieux la lumière du soleil.
La phase de "rodage" décryptée
Dans une étude publiée dans Nature Communications, l'auteur principal, le Dr Kun Sun, de la chaire de matériaux fonctionnels de la TUM, et son équipe ont étudié les cellules dites à large bande passante à haut rendement, c'est-à-dire les cellules supérieures d'une cellule solaire tandem. En utilisant des mesures de rayons X à haute résolution à DESY, l'équipe a observé le matériau "respirer" en temps réel lors de changements rapides de température ; le réseau se dilate et se contracte périodiquement en réponse aux fluctuations rapides de température.
La découverte a été frappante : la dégradation se produit au cours d'une phase initiale massive de "rodage", au cours de laquelle les cellules peuvent perdre jusqu'à 60 % de leurs performances relatives. "Nous avons révélé qu'un bras de fer microscopique déclenche cette perte", explique le Dr Kun Sun. "Des tensions apparaissent à l'intérieur du matériau et sa structure se modifie, ce qui coûte de l'énergie. Cette découverte donne aux ingénieurs un objectif clair : si nous parvenons à éliminer l'usure, nous pourrons débloquer la stabilité à long terme.
Concevoir l'"ancre parfaite"
Comment empêcher le matériau de se désagréger ? Dans un second article publié dans ACS Energy Letters, les chercheurs expliquent comment stabiliser le matériau cristallin sensible. Ils ont utilisé des molécules organiques spéciales qui agissent comme des entretoises, maintenant la structure ensemble - comme un échafaudage moléculaire.
En comparant différents espaceurs, les chercheurs ont trouvé un gagnant : alors que les espaceurs courants entraînaient une dégradation de la structure, la molécule organique PDMA, plus volumineuse, a joué un rôle d'ancrage supérieur. Le résultat est une cellule solaire nettement plus robuste qui reste stable même sous le stress mécanique d'un chauffage et d'un refroidissement rapides.
"L'avenir de la photovoltaïque est le tandem", déclare le professeur Peter Müller-Buschbaum. "En comprenant ces mécanismes microscopiques, nous ouvrons la voie à une nouvelle génération de modules solaires qui sont à la fois très efficaces et suffisamment durables pour être utilisés à l'extérieur pendant des dizaines d'années."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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