Les ingénieurs de Dartmouth développent une technologie d’impression rapide pour les modules solaires rigides et flexibles
Un groupe de chercheurs du Dartmouth College dans le New Hampshire a mis au point une nouvelle méthode d’impression flexographique qui peut aider à fabriquer des cellules solaires en pérovskite rapidement et de manière fiable. Cette nouvelle technique rapproche l’impression de masse peu coûteuse de cellules solaires de la réalité. Les pérovskites sont des matériaux qui ont la même structure cristalline que l’oxyde de titane de calcium minéral, qui était le premier cristal de pérovskite découvert.
Ces matériaux ont montré un potentiel de haute performance et de faibles coûts de production lorsqu’ils sont utilisés pour créer des cellules solaires. Les chercheurs ont documenté leurs découvertes dans une étude intitulée « Élimination du goulot d’étranglement de la fabrication de cellules solaires à pérovskite via la flexographie à grande vitesse », publiée dans Advanced Materials Technologies.
Les auteurs de l’article sont Julia Huddy, étudiante en troisième année de doctorat à Dartmouth, Youxiong Ye qui était chercheur postdoctoral à l’université et travaille maintenant comme métallurgiste dans une société sidérurgique américaine et William Scheideler, professeur adjoint d’ingénierie à la Université.
Schéma d’une structure cristalline de pérovskite (Crédit image : Wikimedia Commons)
Actuellement, tous les panneaux solaires produits dans le commerce utilisent des cellules solaires en silicium qui doivent être traitées à très haute pureté. Ce processus énergivore utilise de grandes quantités de solvants dangereux et est également très coûteux. En comparaison, ces cellules de pérovskite sont constituées de couches de cristaux minuscules constitués de matériaux sensibles à la lumière à faible coût. Les matières premières peuvent être mélangées dans un liquide pour former une sorte d’encre qui peut être imprimée sur de nombreux types de matériaux différents.
« J’imagine une combinaison d’applications solaires traditionnelles telles que l’énergie solaire sur les toits résidentiels et à grande échelle, qui sont très sensibles aux coûts, ainsi que des applications non traditionnelles dans les véhicules électriques et les appareils mobiles. Les cellules pérovskites présentent des avantages stratégiques en matière de dispositifs légers et flexibles, donc je pense que ces applications émergentes pourraient être les plus prometteuses », a écrit le professeur William Scheideler dans un e-mail à indianexpress.com.
« Les cellules commerciales au silicium ont un PCE (efficacité de conversion de puissance) d’environ 21 % pour la technologie PERC standard. Les meilleurs modules de pérovskite à l’échelle du laboratoire à jonction unique se situent désormais dans la plage d’environ 20 % de PCE, de sorte que la baisse par rapport aux systèmes commerciaux n’est plus aussi nette. L’écart qui doit encore être comblé est la baisse efficace pour passer à des modules à très grande échelle (1 mx 1 m) », a-t-il ajouté lorsqu’on lui a posé des questions sur l’efficacité des modules solaires à pérovskite.
Même si ces matériaux sont une solution très prometteuse pour augmenter la capacité mondiale d’énergie solaire, il est difficile de les mettre à l’échelle en raison des temps de production lents et des coûts de fabrication élevés.
La nouvelle méthode d’impression développée par les ingénieurs du Dartmouth Engineer combine la flexographie à grande vitesse, où l’encre est appliquée sur diverses surfaces à l’aide de plaques d’impression flexibles, et des encres sol-gel composées de cristaux de pérovskite. Cela accélère le temps de traitement du matériau de 60 fois, selon l’étude.
La flexographie permet un dépôt de film ultra-mince hautement uniforme avec des capacités de modelage (Crédit image : J.Huddy et al. | Advanced Materials Technologies)
(Légende : la flexographie permet un dépôt de film ultra-mince très uniforme avec des capacités de modelage (Crédit image : J.Huddy et al. | Advanced Materials Technologies))
Bien que la nouvelle étude soit prometteuse, la baisse d’efficacité des modules à grande échelle n’est pas le seul défi que les futures recherches dans ce domaine devront surmonter.
« Les prochaines étapes pour notre groupe sont de développer les électrodes transparentes et de concevoir des matériaux qui seront plus flexibles et robustes. C’est un énorme défi pour les cellules solaires monolithiques qui sont limitées par les effets parasites des électrodes transparentes (traditionnellement, ITO : oxyde d’indium et d’étain) », a déclaré Scheideler en parlant des prochaines étapes du groupe de recherche. « Nous avons de nouvelles conceptions d’encre pour développer ces matériaux et les rendre plus flexibles. Cela pourrait être essentiel pour toutes les applications mobiles de pérovskite qui doivent être mécaniquement fiables sous les contraintes opérationnelles et le vieillissement »,
Une autre étape à franchir pour les chercheurs serait le dépôt sous vide d’électrodes métalliques, qui continue d’être une étape coûteuse dans le processus de fabrication. Selon lui, l’amélioration des encres nanoparticulaires pour cette application sera une étape importante vers l’activation de l’énergie solaire pérovskite à l’échelle du térawatt.