Cellules solaires pérovskites : le potentiel du photovoltaïque transparent pour les bâtiments modernes et les projets photovoltaïques – Image : Xpert.Digital
Transition énergétique transparente : production d'électricité grâce à une technologie de fenêtre innovante
Cellules solaires pérovskites : les futurs fabricants de fenêtres intelligentes
Le développement de cellules solaires transparentes et à haut rendement ouvre de nouvelles perspectives pour l'intégration du photovoltaïque dans les bâtiments. Les cellules solaires à pérovskite, en particulier, se sont révélées ces dernières années prometteuses pour cette application. Avec des rendements pouvant atteindre 31,6 %, la possibilité de conceptions transparentes et une fabrication économique, elles pourraient révolutionner l'utilisation de l'énergie solaire. Les recherches actuelles montrent que la stabilité, auparavant problématique, de ces cellules a été considérablement améliorée. Les applications telles que les fenêtres intelligentes, qui non seulement produisent de l'électricité mais peuvent également adapter leur transparence aux conditions ambiantes, sont particulièrement prometteuses.
Convient à:
Principes fondamentaux de la technologie solaire pérovskite
Les cellules solaires à pérovskite représentent une technologie relativement récente dans le domaine du photovoltaïque, les recherches intensives n'ayant débuté qu'en 2009. Elles doivent leur nom au minéral pérovskite, dont elles présentent la structure cristalline caractéristique. Ces cellules solaires sont basées sur des pérovskites halogénées, un matériau hybride composé de composants organiques chargés positivement, tels que les cations méthylammonium, et de sels métalliques inorganiques, comme l'iodure de plomb. Leur composition et leur structure uniques diffèrent fondamentalement de celles des cellules solaires traditionnelles en silicium, ce qui en fait une solution prometteuse pour l'avenir de l'énergie solaire.
Le fonctionnement des cellules solaires à pérovskite repose sur leur excellente capacité à convertir la lumière solaire en énergie électrique. Des scientifiques du Centre de recherche de Jülich ont découvert, grâce à de nouvelles mesures de photoluminescence, que les porteurs de charge libres dans ces cellules sont probablement exceptionnellement bien protégés contre la dégradation, ce qui pourrait expliquer en grande partie leur rendement élevé. La durée de vie des porteurs de charge excités dans le matériau est un facteur crucial pour l'efficacité de ces cellules solaires, car elle détermine la durée pendant laquelle les électrons libérés par la lumière restent disponibles et peuvent contribuer à la production d'électricité.
Ces dernières années, le développement technologique des cellules solaires a connu des progrès impressionnants. Alors que les premières cellules solaires à pérovskite affichaient un rendement modeste de seulement 4 %, les modèles les plus récents atteignent régulièrement des rendements supérieurs à 20 %. L'Institut Fraunhofer a même atteint un record de 31,6 %, tandis que la société allemande Qcells a réalisé un rendement de 28,6 %.
Avantages des cellules solaires pérovskites transparentes
La caractéristique la plus remarquable des cellules solaires pérovskites par rapport aux modules en silicium classiques réside dans leur potentiel de transparence associé à un rendement élevé. Cette propriété ouvre des perspectives d'application inédites, notamment dans le domaine du photovoltaïque intégré au bâtiment. Les cellules solaires transparentes ou semi-transparentes peuvent être intégrées aux surfaces vitrées, permettant ainsi aux bâtiments de laisser entrer la lumière tout en produisant simultanément de l'électricité.
Le degré de transparence peut être ajusté lors de la fabrication en fonction des besoins, mais il convient de noter que le rendement de conversion énergétique diminue avec l'augmentation de la transparence. Le rendement de conversion le plus élevé mesuré pour les versions transparentes atteint actuellement un remarquable 17,9 %. Le projet de recherche IMPRESSIVE a démontré qu'une combinaison de technologies permet de convertir l'énergie solaire avec un rendement de 14 % pour une transmittance lumineuse moyenne supérieure à 55 %. Les cellules pérovskites UV semi-transparentes atteignent même un rendement supérieur à 10 % pour une transmittance lumineuse d'environ 60 %.
Outre leur transparence, les cellules solaires à pérovskite présentent d'autres avantages notables. Elles sont relativement peu coûteuses et faciles à fabriquer, à l'instar des modules solaires à couches minces. Leur production est nettement moins énergivore que celle du silicium, car les pérovskites peuvent être produites par des procédés simples et industrialisables, tels que l'impression en continu. De plus, les matières premières nécessaires sont généralement disponibles en abondance, ce qui contribue à maintenir les coûts des matériaux à un niveau bas.
Un autre avantage crucial réside dans la légèreté et la flexibilité des cellules solaires pérovskites. Elles peuvent être appliquées en couches ultra-minces sur divers substrats, élargissant considérablement leurs possibilités d'application. Cette propriété permet des applications innovantes dans les appareils portables, les véhicules ou les solutions photovoltaïques intégrées au bâtiment, telles que les fenêtres solaires ou les modules de façade.
Applications innovantes dans l'intégration des bâtiments
La transparence des cellules solaires en pérovskite les rend particulièrement intéressantes pour le photovoltaïque intégré au bâtiment (PVIB), où elles remplacent les matériaux de construction traditionnels comme les fenêtres. L'intégration de la pérovskite entre deux vitres permet aux cellules solaires de constituer la façade et le mur du bâtiment, tout en produisant de l'électricité pour une consommation sur place ou pour l'injection dans le réseau.
Panasonic Holdings a présenté un exemple concret de cette application innovante, en exposant des balustrades en verre semi-transparent intégrant des cellules solaires en pérovskite sur le balcon d'une maison témoin au sud de Tokyo. Ces prototypes démontrent le potentiel d'intégration de la technologie pérovskite dans les éléments de construction courants. Des physiciens de Leipzig ont également mis au point une cellule solaire transparente pouvant être déposée par évaporation directement sur une vitre, transformant ainsi potentiellement des façades entières en centrales solaires.
Les avancées dans le domaine des fenêtres thermochromiques, ou « intelligentes », sont particulièrement prometteuses. Des chercheurs de l’Université de Californie à Berkeley ont mis au point une extension fonctionnelle pour une fenêtre photovoltaïque : sa couleur et sa transparence varient en fonction de la température et elle peut produire de l’électricité lorsqu’elle est obscurcie. Ce passage réversible à une fenêtre solaire colorée repose sur un changement de phase de couches ultra-minces de pérovskite.
À l'état transparent, les cristaux de pérovskite présentent une structure cubique et sont largement transparents. À une température d'environ 105 degrés Celsius, ils adoptent une structure cristalline moins transparente, mais photovoltaïquement active. Celle-ci bloque environ les deux tiers de la lumière visible et atteint un rendement de sept pour cent. Refroidie à température ambiante et exposée à l'humidité, cette transformation de phase est réversible et la fenêtre redevient transparente.
Convient à:
Propriétés thermochromiques pour des bâtiments à climat optimisé
Les propriétés thermochromiques des fenêtres à base de pérovskite pourraient contribuer significativement à l'efficacité énergétique des bâtiments. À l'instar des lunettes de soleil photochromiques, ces fenêtres changent de couleur en fonction des variations de température, la température – contrairement à l'intensité lumineuse des lunettes de soleil – étant le facteur déterminant. Lorsque la température augmente, la vitre transparente prend progressivement une teinte jaune, orange, rouge ou brune. Plus il fait chaud, plus le verre s'assombrit, rafraîchissant ainsi la pièce automatiquement et sans climatisation.
Ce mécanisme peut contribuer significativement à la réduction de la consommation d'énergie pour le chauffage et la climatisation. Sachant que le chauffage et l'eau chaude sanitaire représentent 25 % des émissions de CO2 en Autriche, et qu'une étude de l'Université de Birmingham prévoit que le nombre d'appareils de climatisation dans le monde quadruplera pour atteindre 14 milliards d'ici 2050, de telles solutions de fenêtres intelligentes pourraient apporter une contribution importante à la protection du climat.
Défis et solutions
Malgré leurs propriétés prometteuses, les cellules solaires à pérovskite se heurtent à plusieurs obstacles qui ont jusqu'à présent limité leur commercialisation à grande échelle. Un problème majeur réside dans leur stabilité en conditions environnementales réelles. Les cristaux de pérovskite ont tendance à croître de manière désordonnée et défectueuse, ce qui peut engendrer des problèmes de stabilité. Leur durée de vie est encore inférieure à celle des cellules solaires en silicium et elles sont sensibles à l'humidité, à la lumière et à la chaleur. Un autre inconvénient important est leur faible résistance aux intempéries, le matériau pouvant se dégrader dans des conditions climatiques extrêmes.
Cependant, la recherche a déjà réalisé des progrès significatifs pour surmonter ces difficultés. Panasonic, par exemple, est parvenu à produire une variante du matériau chimiquement plus stable et à la protéger des intempéries grâce à l'utilisation de double vitrage. L'institut de recherche belge Imec, partenaire du consortium de recherche EnergyVille, a réalisé une avancée majeure dans la recherche sur les modules solaires en pérovskite . Une étude menée pendant deux ans en extérieur à Chypre a démontré la stabilité à long terme de mini-modules en pérovskite, qui ont atteint un rendement énergétique impressionnant de 78 % après un an en extérieur – une valeur que les modules solaires en pérovskite actuels ne peuvent souvent maintenir que pendant quelques semaines.
Des progrès ont également été réalisés dans le domaine du recyclage. Des chercheurs suédois ont mis au point une méthode permettant de recycler intégralement et écologiquement les cellules solaires à pérovskite. Au lieu d'utiliser du diméthylformamide, un composé toxique, pour démanteler les cellules, comme c'était le cas auparavant, l'équipe utilise l'eau comme solvant pour décomposer les pérovskites. Tous les composants peuvent ensuite être réutilisés dans une nouvelle cellule solaire à pérovskite sans altérer ses performances : la cellule solaire recyclée présente le même rendement que la cellule d'origine.
Des défis spécifiques subsistent pour les fenêtres solaires thermochromes. La température de changement de phase, relativement élevée (légèrement supérieure à 100 °C), devrait être encore abaissée pour des applications pratiques. De plus, l'humidité requise pour la commutation réversible pourrait nuire à la stabilité à long terme des couches de pérovskite. Cependant, la composition des matériaux pérovskites étant très variable, des études complémentaires pourraient permettre d'identifier des mélanges exempts de ces inconvénients et ainsi d'améliorer encore leur efficacité.
Potentiel du marché et perspectives d'avenir
La combinaison de flexibilité, d'avantages économiques et d'une efficacité remarquable fait des cellules solaires pérovskites une technologie prometteuse pour la transition énergétique. Les analystes d'IDTechEx prévoient que le marché du photovoltaïque pérovskite atteindra un volume de ventes annuel de près de 12 milliards de dollars américains d'ici 2035. Cette technologie pourrait remplacer les modules à base de silicium et devenir la technologie photovoltaïque dominante à l'avenir.
L'association de la pérovskite et du silicium dans des cellules tandem s'avère particulièrement prometteuse, avec des rendements potentiels atteignant 43 %, soit une amélioration significative par rapport aux modules en silicium pur. Les matériaux pérovskites peuvent être spécifiquement conçus pour exploiter efficacement différentes longueurs d'onde du rayonnement solaire : la pérovskite absorbe mieux la lumière bleue (courte longueur d'onde), tandis que le silicium excelle dans le domaine du rouge (longue longueur d'onde).
Les cellules solaires transparentes en pérovskite ouvrent des perspectives inédites pour le photovoltaïque intégré au bâtiment. Afin de remplacer au plus vite les fenêtres passives par des fenêtres photovoltaïques, les chercheurs s'efforcent d'optimiser les performances de ces technologies et d'accélérer la commercialisation des cellules photovoltaïques transparentes. Si les défis persistants liés à la stabilité et à la durabilité sont relevés, les fenêtres solaires à base de pérovskite pourraient contribuer significativement à la production d'énergie décentralisée en milieu urbain dans un avenir proche.
Transition énergétique urbaine : fenêtres productrices d'énergie grâce à la technologie pérovskite
Les cellules solaires pérovskites, notamment leurs versions transparentes destinées aux fenêtres , représentent une technologie prometteuse pour l'avenir du photovoltaïque. Grâce à leur combinaison de rendement élevé, de transparence, de faibles coûts de fabrication et de flexibilité, elles offrent des avantages considérables par rapport aux cellules solaires classiques en silicium. La possibilité de transformer les façades et les fenêtres des bâtiments en générateurs d'énergie sans compromettre leur fonction première pourrait contribuer de manière cruciale à la transition énergétique en milieu urbain.
Les progrès récents en matière d'amélioration de la stabilité et de la durée de vie de ces cellules dans des conditions environnementales réelles sont encourageants et ouvrent la voie à une application commerciale plus large. Les propriétés thermochromiques de certaines fenêtres à base de pérovskite apparaissent particulièrement novatrices, car elles permettent non seulement de produire de l'électricité, mais aussi de contribuer à l'efficacité énergétique des bâtiments en modulant leur transparence.
Malgré certains défis persistants, le développement rapide de la technologie pérovskite ces dernières années laisse entrevoir que les cellules solaires transparentes et à haut rendement pourraient bientôt jouer un rôle majeur dans l'architecture et la production d'énergie. Cette technologie innovante pourrait transformer en profondeur l'avenir de la construction, en créant des bâtiments dont les fenêtres et les façades, outre leur esthétique, contribuent activement à la production d'énergie.
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