Les cellules solaires en pérovskite : une solution énergétique durable ?
Dans cet article, nous nous intéressons aux cellules solaires en pérovskite et nous nous demandons si elles ont le potentiel pour devenir une solution énergétique durable.
Les émissions mondiales de dioxyde de carbone issues de la production d'énergie ont augmenté de 6 % l'année dernière, pour atteindre 36,3 milliards de tonnes. Compte tenu de ces émissions et de celles provenant d'autres industries, l'ONU a lancé un avertissement sévère dans son dernier rapport sur le climat: si nous n'agissons pas maintenant, nous ne serons pas en mesure de limiter le réchauffement climatique.
Les chercheurs suivent ce conseil et expérimentent divers matériaux tels que les algues, l'énergie des vagues et les pérovskites. L'objectif est de déterminer si ces matériaux peuvent surpasser les autres technologies énergétiques et réduire les émissions de carbone.
Dans cet article, nous nous intéresserons plus particulièrement aux pérovskites et définirons ce qu'elles sont, comment elles sont utilisées dans les cellules solaires et si elles ont le potentiel pour devenir une solution énergétique durable.
Que sont les pérovskites ?
Une pérovskite est une classe de matériaux synthétiques ayant la même structure cristalline que l'oxyde de calcium et de titane, un minéral présent dans la nature.
Ce minéral a été découvert pour la première fois par le minéralogiste allemand Gustav Rose en 1839 et tire son nom du minéralogiste russe Lev Perovski (1792-1856). Malgré sa découverte il y a plusieurs centaines d'années, la structure unique de ce minéral n'a été comprise qu'en 1926, lorsque le minéralogiste norvégien Victor Goldschmidt a décrit pour la première fois le « facteur de tolérance » des pérovskites.
La structure pérovskite est unique en raison de sa capacité à intégrer de nombreux cations (ions chargés positivement) différents, ce qui permet le développement d'une large gamme de matériaux techniques.
Comment les pérovskites sont-elles utilisées dans les cellules solaires ?
L'application la plus répandue et la plus aboutie des matériaux pérovskites concerne les cellules solaires. Les pérovskites synthétiques offrent un rendement de conversion pouvant atteindre 25,5 %, surpassant toutes les autres technologies émergentes de cellules photovoltaïques (y compris les cellules à points quantiques, organiques et sensibilisées par colorant). Une fois combinées en tandem monolithique avec du silicium, les cellules pérovskites voient leur rendement augmenter jusqu'à 29,8 %, surpassant ainsi certaines cellules multijonctions hautement efficaces (mais généralement trop coûteuses).
Tendances dans l'industrie solaire à base de pérovskite
En 2021, la valeur du marché de la pérovskite était de 0,17 milliard de dollars américains. D'ici 2029, le marché devrait atteindre une valeur de 6,29 milliards de dollars américains, soit un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 34,5 %. La taille actuelle du marché met en évidence le stade précoce de commercialisation de ce matériau, car la petite taille des marchés augmente le risque de manque de retour sur investissement (comme c'est souvent le cas avec les technologies potentiellement disruptives).
Le tableau ci-dessus présente les brevets déposés relatifs à la commercialisation du matériau pérovskite et de la technologie des cellules solaires. Il remonte à 2009, avec les développements réalisés par Tsutomu Miyasaka et ses collègues. Avant cela, la littérature universitaire avait déjà souligné la faisabilité des cellules solaires à pérovskite dès les années 1980. De 2006 à aujourd'hui, les cellules solaires à pérovskite ont enregistré une augmentation de 22 % de leur rendement par rapport aux technologies traditionnelles à couche mince.
L'émergence des matériaux hybrides organiques-inorganiques à base de pérovskite a entraîné un boom des dépôts de brevets dans le domaine de la technologie pérovskite, en raison de leur rendement élevé en matière de conversion d'énergie et de leurs méthodes de fabrication peu coûteuses. Les travaux de Miyasaka avec Fujifilm ont ouvert la voie à cette technologie, suivis par ceux de l'université d'Oxford et de ses collaborateurs.
Les pièges des pérovskites dans les cellules solaires
Malgré leur promesse de surpasser les autres cellules, les pérovskites présentent quelques inconvénients majeurs : instabilité et dégradation.
Bien que les cellules solaires en pérovskite fonctionnent bien en laboratoire, elles ont du mal à maintenir leur rendement énergétique lorsqu'elles sont produites à l'échelle commerciale. Pour que les panneaux solaires soient commercialement viables, la valeur totale de l'énergie qu'ils produisent doit être supérieure au coût de production des panneaux. Un panneau solaire qui ne fonctionne efficacement que dans des conditions spécifiques ou qui se dégrade avant que les coûts puissent être amortis limite sa capacité à être utilisé comme solution viable de capture d'énergie.
Cependant, les principaux acteurs sont conscients de ces limites et s'efforcent activement d'y remédier. Cela ressort clairement des tendances en matière de dépôt de brevets illustrées dans le graphique ci-dessous. Les demandes liées à « l'efficacité » par opposition à la « dégradation » ou à la « stabilité » sont en augmentation.
Les pérovskites constituent-elles une solution énergétique durable ?
Alors que le monde continue de s'orienter vers un modèle énergétique plus durable, les dépôts de brevets dans le domaine des pérovskites devraient augmenter.
Pour que les pérovskites deviennent une solution énergétique durable, les chercheurs devront surmonter les problèmes liés à leur stabilité et à leur dégradation. À ce titre, nous prévoyons dans les années à venir de nouvelles innovations dans la technologie des pérovskites, notamment en matière de stockage et de production d'énergie.
Rapport sur l'industrie des pérovskites
Pour en savoir plus sur l'industrie énergétique des pérovskites, cliquez ici pour télécharger notre rapport analytique. Dans ce rapport, nous analysons les pérovskites utilisées dans les panneaux solaires et les batteries. Nous commençons par les applications, puis nous passons à l'état actuel du marché, y compris le paysage géographique et concurrentiel, les tendances en matière de brevets, les organisations clés et les innovations émergentes, afin d'explorer l'évolution de ces technologies alimentées par les pérovskites.
