Présentation de la cellule solaire à pérovskite et de ses avantages et inconvénients

Structure et principe de fonctionnement des cellules solaires à pérovskite

La structure de la PSC est généralement composée de cinq parties, de haut en bas : la photoanode (verre conducteur FTO/ITO), la couche de transport d'électrons (ETL), la couche photoactive de pérovskite, la couche de transport de trous (HTL) et les contre-électrodes métalliques (Au, Ag, Al). La PSC est une batterie à couche mince, qui est principalement déposée sur du verre à l'heure actuelle. En même temps, différents degrés de transparence peuvent être obtenus en contrôlant l'épaisseur et le matériau de chaque couche de matériaux, et bien sûr l'efficacité sera également réduite.

Structure et principe de fonctionnement d'une cellule solaire à pérovskite

Principe de fonctionnement des cellules solaires à pérovskite : lorsque la lumière du soleil irradie la couche absorbant la lumière (couche de pérovskite), les photons dont l'énergie est supérieure à la largeur de bande interdite sont absorbés, l'énergie du photon excite les électrons qui étaient à l'origine liés au noyau, produisant ainsi des excitons (paires électron-trou).

En raison de la faible énergie de liaison des excitons des matériaux pérovskites, ceux-ci peuvent être séparés en porteurs libres (électrons et trous) à température ambiante. Une fois les excitons séparés en électrons et en trous, les trous pénètrent dans le matériau de transport de trous (HTM) à partir du matériau pérovskite, les électrons pénètrent dans le matériau de transport d'électrons (ETM) à partir du matériau pérovskite et se dirigent respectivement vers la cathode et l'anode de la batterie.

Les principaux avantages de la cellule solaire à pérovskite

Faible coût de fabrication

Le principal avantage des cellules solaires en pérovskite est leur faible coût (coût des matériaux et coût de production). Le coût par pied carré (0,09 mètre carré) est d'environ $0,25, soit environ un dixième de celui des cellules en silicium. Tout d'abord, les matières premières de base des cellules pérovskites sont abondantes et faciles à obtenir (pas de matériaux rares), l'offre n'est pas limitée et le prix est inférieur à celui des matières premières du silicium cristallin.

Deuxièmement, le film de pérovskite a un coefficient d'absorption de la lumière élevé, qui est environ 100 fois supérieur à celui des matériaux de cellules solaires traditionnels, de sorte que sa couche de film cellulaire peut être amincie (en théorie, seul 1/100 de l'épaisseur peut être utilisé pour produire la même épaisseur que le silicium cristallin) rendement énergétique), réduire considérablement la quantité de matériaux de batterie (l'épaisseur du film de pérovskite n'est généralement que de 0,3~0,5μm, l'épaisseur du silicium cristallin est généralement de 160~180μm.

Selon les statistiques, la production d'énergie de 35 kg de pérovskite équivaut à celle de 7 tonnes de silicium, de sorte que l'utilisation de matériaux pérovskites est réduite de cent fois). Enfin, son processus de fabrication peut utiliser une technologie à faible coût qui ne nécessite pas d'équipement sous vide coûteux, et le coût de fabrication présente des avantages évidents par rapport aux batteries au silicium cristallin.

Rendement élevé de la conversion photoélectrique

La couche d'absorption de la lumière de la cellule solaire en pérovskite a une bande interdite plus large que celle du silicium cristallin et peut absorber la lumière visible de courte longueur d'onde. En d'autres termes, l'énergie photonique absorbée est plus importante (E=hc/λ, plus la longueur d'onde est courte, plus l'énergie est importante), ce qui se traduit par un taux de conversion photoélectrique plus élevé.

En même temps, les cellules solaires en pérovskite ont une mobilité élevée des porteurs de charge et une bonne performance de diffusion de la lumière, et leurs longueurs de diffusion des électrons et des trous peuvent dépasser 1 000 nm.
Les excellentes propriétés de transport des porteurs photogénérés font que la perte d'énergie pendant la conversion photoélectrique est extrêmement faible.

En outre, la pérovskite peut également régler la bande interdite en changeant le matériau de la couche de film de pérovskite, de sorte que l'efficacité de la conversion photoélectrique de la batterie puisse atteindre le maximum ;
Il est possible d'augmenter la bande interdite et d'améliorer le rendement de conversion en empilant différentes couches de films de pérovskite, ou en empilant des cellules de pérovskite et de silicium cristallin.

Faibles exigences en matière de qualité des matières premières

La préparation d'une cellule solaire en pérovskite est peu exigeante quant à la pureté des matières premières et n'est pas sensible aux impuretés. Une cellule d'une pureté d'environ 90% peut être produite avec un rendement supérieur à 20%, alors que la cellule en silicium cristallin exige une pureté de matériau supérieure à 99,9999%.

Processus de fabrication simple et faible consommation d'énergie

Le processus de fabrication des cellules solaires en pérovskite est simple, elles peuvent être préparées en solution, et la température du processus est basse, environ 100 °C, alors que la température maximale requise pour la préparation des cellules en silicium cristallin dépasse 600 °C, et que la température requise pour la préparation d'autres cellules à couche mince est également d'environ 250 °C.

La faible consommation d'énergie du processus de fabrication des cellules solaires en pérovskite est un autre avantage important. La consommation d'énergie par watt des modules monocristallins est d'environ 1,52 kWh, alors que celle des modules en pérovskite est de 0,12 kWh, et la consommation d'énergie par watt ne représente que 1/10 de celle du silicium cristallin.

Des composants transparents et flexibles peuvent être préparés

La batterie à pérovskite peut préparer des composants de batterie flexibles translucides en utilisant un substrat flexible transparent (la pérovskite est plus facile à former un film sur un substrat flexible que le silicium) et en amincissant la couche de film de pérovskite. Elle est utilisée dans de nouveaux domaines d'application non conventionnels tels que les murs-rideaux en verre, les produits portables et les produits à porter sur soi.

Le principal inconvénient des cellules solaires à pérovskite

À l'heure actuelle, les principaux facteurs qui limitent la commercialisation à grande échelle des cellules solaires en pérovskite sont les suivants :

Mauvaise stabilité structurelle

L'instabilité des cellules solaires à pérovskite est principalement due à deux mécanismes : l'instabilité du matériau pérovskite lui-même et l'instabilité de l'interface. Les matériaux des piles à pérovskite sont extrêmement sensibles à l'eau, à la chaleur et à l'oxygène : les matériaux organiques de transport de trous couramment utilisés se décomposent rapidement lorsqu'ils sont en contact avec l'eau ;

Le TiO2, dans la structure couramment utilisée, possède des propriétés photocatalytiques, qui peuvent catalyser la réaction de décomposition des matériaux pérovskites sous irradiation ultraviolette.
Par conséquent, les cellules pérovskites conventionnelles ont une durée de vie très courte dans un environnement à forte teneur en eau et en oxygène. Bien que les changements structurels qui se produisent soient réversibles, ils affectent les performances, en particulier l'humidité qui est sujette à une dégradation irréversible.

En outre, la faible énergie de formation des ions plomb (divalents) dans les cellules pérovskites est l'une des principales raisons de la formation de défauts à la surface et aux joints de grains de la pérovskite. Les ions plomb (divalents) non coordonnés peuvent induire une recombinaison des porteurs photogénérés, et la voie de migration des ions est également défavorable à la performance de la cellule, ce qui conduit finalement à une dégradation de l'efficacité de la conversion photoélectrique.

Il existe deux façons principales d'améliorer la stabilité des cellules en pérovskite. L'une consiste à utiliser des matériaux pérovskites composites pour améliorer leur propre stabilité ; l'autre consiste à trouver des substances additives appropriées pour inhiber la décomposition des matériaux pérovskites.

À l'heure actuelle, le meilleur moyen de résoudre rapidement le problème de la stabilité de la pérovskite et de parvenir à une production commerciale de masse est d'empiler pérovskite et silicium cristallin (la cellule de silicium cristallin HJT et la pérovskite se superposent mieux), tout en améliorant l'efficacité de la conversion et en se connectant de manière transparente à l'industrie existante.

Difficulté à préparer de grandes surfaces

À l'heure actuelle, il est difficile de préparer des cellules pérovskites à haut rendement de grande surface. Il est difficile d'obtenir un rendement supérieur à 20% pour une cellule à simple jonction de plus de 1m², et le rendement de conversion diminue fortement à mesure que la surface de la cellule augmente. Les raisons de la difficulté de la préparation à grande échelle : Premièrement, il est difficile de produire un revêtement de pérovskite large, continu et uniforme ;

Deuxièmement, le film TCO de la photoanode présente une faible résistance à l'accumulation de courant, et sa résistivité devient plus évidente lorsque la surface est plus grande. Par exemple, une cellule pérovskite de 6,25 cm² a un rendement de 20,61 TTP3T, mais lorsque 35 cellules sont combinées en un module de 412 cm² (proche de la surface d'une cellule de silicium cristallin de 12 pouces), le rendement tombe à 12,61 TTP3T. À l'heure actuelle, le plus grand module de 1241,16 cm² produit par GCL Nano a un rendement de 15,31%.

Il y a des problèmes environnementaux

La cellule solaire pérovskite est une technologie émergente qui peut accélérer la transition de l'énergie future vers l'énergie durable. Les matériaux des cellules solaires pérovskites à haut rendement contiennent essentiellement du plomb, un métal toxique (le plomb est une neurotoxine qui s'oxyde et se volatilise facilement et qui est également soluble dans l'eau), ce qui représente un risque pour l'environnement et la santé. ), ce qui représente un risque pour l'environnement et la santé.

Toutefois, d'après l'analyse, une petite quantité de fuite de plomb n'a pas beaucoup d'impact sur la toxicité environnementale et n'est pas aussi importante que l'impact global du processus de production des cellules de silicium cristallin sur l'environnement (le processus de purification du silicium produit des gaz résiduels HCl, SiCl4/HCl/HNO3/HF et d'autres liquides résiduels, et le processus de fabrication des batteries, des gaz résiduels d'oxyde d'azote et des liquides résiduels acido-basiques à l'odeur piquante, peut facilement conduire à un dépassement de la norme pour l'azote total). Les méthodes actuellement disponibles pour atténuer les fuites potentielles de plomb sont l'encapsulation physique et l'absorption chimique, et l'université de l'Illinois du Nord a mis au point des revêtements organiques DMDP, un matériau qui absorbe le plomb.

Conclusion

En tant que cellule solaire de troisième génération, la cellule solaire pérovskite est celle qui se développe le plus rapidement. Le rendement de conversion photoélectrique (PCE) est passé de 3,8% (préparé par l'université de Yokohama, Japon, en 2009) à 29,52% (préparé par Oxford Photovoltaic Company en 2021) en l'espace de 12 ans. Le potentiel de commercialisation de cette technologie est donc considérable.

Actuellement, le rendement de conversion moyen des cellules solaires au silicium produites industriellement en masse est généralement compris entre 20% et 23%. Les rendements de production de masse les plus élevés sont de 26,31 TTP3T pour les cellules HJT de LONGi, de 23,61 TTP3T pour les cellules PERC et de 25,41 TTP3T pour l'une des plus grandes cellules solaires de l'Union européenne. 10 premiers fabricants de batteries solaires Cellules TOPCon de JinkoSolar.