Le vide au service des cellules solaires à pérovskite
Une étude menée en Allemagne a montré que les procédés sous vide peuvent accélérer la production de cellules solaires pérovskites légères et peu coûteuses.
L’étude menée par l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) et le NREL aux États-Unis a analysé les processus de production de cellules solaires en pérovskite, qu’ils soient basés sur des solvants ou sur le vide.
L’étude a identifié une variété de solutions et conclut que la technologie sous vide est compétitive en termes de paramètres réels tels que les coûts énergétiques, le rendement de production, les coûts des matériaux, les coûts de démantèlement et les coûts de recyclage, en particulier pour les cellules tandem avec une couche de pérovskite au-dessus des textures de silicium.
« Non seulement le dépôt en phase vapeur est le choix numéro un de l’industrie lorsqu’il s’agit de mettre sur le marché un nouveau produit à couche mince, mais notre analyse montre qu’il peut également être compétitif en termes de coûts par rapport au dépôt en solution », a déclaré le chercheur David Moore du NREL.
Au cours de la dernière décennie, les cellules solaires tandem pérovskite-silicium ont connu un développement accéléré et, dans le domaine de la recherche, des rendements de plus de 33 % ont été démontrés, dépassant de loin ceux des cellules solaires conventionnelles à base de silicium.
L’un des principaux défis est la question non résolue du processus le mieux adapté à la production de masse de cellules solaires en pérovskite.
« 98 % des études scientifiques réalisées en 2022 portaient sur des procédés à base de solvants. Les procédés basés sur le vide, quant à eux, ont fait leurs preuves dans l’industrie depuis plusieurs décennies. Bien qu’ils puissent faire progresser de manière décisive la commercialisation des cellules solaires, ils sont largement sous-représentés », a déclaré le professeur Ulrich W. Paetzold de l’Institut de technologie des microstructures et de l’Institut de technologie de la lumière du KIT.
La fabrication à base de solvant utilise des encres dans lesquelles des sels organiques et inorganiques sont dissous dans un solvant. Ces encres peuvent être déposées sur la surface du substrat à l’aide de différentes techniques d’impression. La fabrication sous vide utilise des procédés secs et sans solvant avec des matériaux sublimés sous vide et sous l’effet de la chaleur. Il est également possible de combiner les deux procédés pour la production de cellules solaires en pérovskite.
Dans leur étude, les auteurs ont analysé les avantages et les inconvénients des deux méthodes. La prédominance de la production à base de solvants dans la recherche est principalement due à sa facilité d’utilisation en laboratoire, à sa bonne efficacité dans des conditions de laboratoire et à son faible coût. Ce système peut également être utilisé pour une production modulable de rouleau à rouleau.
La production sous vide est associée à des coûts d’investissement plus élevés. Les taux de dépôt restent inférieurs à ceux de la production à base de solvants. La bonne reproductibilité du dépôt, la facilité de contrôle du processus, la disponibilité d’équipements industriels et l’extensibilité aisée du dépôt, depuis les petites cellules solaires à l’échelle du laboratoire jusqu’aux domaines de produits pertinents pour l’application, rendent la production sous vide très attrayante pour la commercialisation.
Pour une application industrielle des cellules solaires pérovskites traitées en phase vapeur, les séquences d’empilement de couches entièrement évaporées, dans lesquelles toutes les couches fonctionnelles de la cellule solaire sont préparées par des approches basées sur la phase vapeur, présentent un intérêt particulier.
Cette technologie a été inaugurée en 2014 avec des cellules solaires en pérovskite entièrement évaporées, dont l’efficacité atteint 10,9 %. Cela réduit la complexité du processus de fabrication par rapport aux approches mixtes utilisant également des approches basées sur des solutions et, plus important encore, cela permet d’augmenter facilement l’échelle du processus de dépôt vers des domaines de dispositifs industriellement pertinents.
Des prototypes prometteurs de modules solaires ont été démontrés avec de faibles pertes d’échelle comparables aux technologies à couche mince et peuvent être utilisés plus facilement avec des applications en tandem en combinaison avec des cellules solaires à base de silicium texturé.
La conformité élevée des couches déposées en phase vapeur signifie qu’il est possible d’obtenir une formation de film de haute qualité, même sur des cellules solaires à fond de silicium très texturé, ce qui est généralement difficile à obtenir par des approches basées sur des solutions.
Selon les chercheurs, d’autres améliorations sont nécessaires pour tirer pleinement parti des effets d’échelle des processus basés sur le vide. Il est important d’étudier la qualité du dépôt pour en améliorer l’efficacité. En outre, le taux de dépôt doit être considérablement augmenté.
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