Il n’est plus temps de tergiverser ! Les énergies renouvelables sont nécessaires dans le mix énergétique pour préparer nos nations à devenir plus résiliente et autonome face aux énergies fossiles. Les chercheurs du monde entier l’ont bien compris et rivalisent d’innovations, dont certaines pourraient changer la donne sur des panneaux photovoltaïque qui ont déjà vu leur prix diminuer par 10 en vingt ans, leurs performances multiplier 2, pour une durée de vie de 25 à 30 ans contre 20 ans auparavant ! Voici 3 innovations qui devraient encore améliorer le production d’énergie solaire.
Mais avant de vous présenter ces 3 innovations, sachez que pour la première fois, une efficacité de 30% pour les cellules solaires en tandem pérovskite sur silicium a été dépassée grâce à un effort conjoint mené par des scientifiques du Laboratoire de photovoltaïque et d’électronique en couches minces de l’EPFL de Neuchâtel (Suisse) en partenariat avec le célèbre centre d’innovation CSEM (Centre suisse d’électronique et de microtechnique). Certifiés indépendamment par le National Renewable Energy Laboratory (NREL) aux États-Unis, ces résultats stimulent le photovoltaïque (PV) à haut rendement et ouvrent la voie à une production d’électricité solaire encore plus compétitive. (1)
« Les technologies tandem pérovskite sur silicium auraient le potentiel de dépasser la référence d’efficacité de 30 %, mais c’est la première fois que ce potentiel prédit depuis longtemps est démontré, ce qui devrait, espérons+le, ouvrir la voie à une électricité durable encore moins chère dans l’avenir », explique Christian Wolff de l’EPFL.
Crédit image : D. Türkay (EPFL), C. Wolff (EPFL), F. Sahli (CSEM), Q. Jeangros (CSEM)
Du disulfure de fer dans les cellules solaires
Il existe un potentiel important pour améliorer les performances globales des cellules solaires en introduisant de nouveaux matériaux (2). La pyrite ou le disulfure de fer est l’un de ces matériaux qui a attiré l’attention pour les cellules photovoltaïques (PV) en raison de son faible coût, de sa bande interdite appropriée et de son coefficient d’absorption élevé. De plus, la pyrite est non toxique et abondante sur terre, ce qui la rend plus appropriée comme matériau photovoltaïque.
Les DSSC (Cellules solaires à colorant) ont fait l’objet d’une attention particulière ces dernières années en raison de leur faible coût, de leur polyvalence et de leur efficacité par rapport aux cellules solaires conventionnelles. Les DSSC se composent d’une électrode de travail, d’un sensibilisateur, d’un électrolyte et d’une contre-électrode (CE).
La pyrite dopée au cobalt a été utilisée comme CE dans les DSSC, la concentration en cobalt variant de 0 à 0,5 en termes de rapport atomique par rapport au fer. L’augmentation de l’efficacité de conversion de puissance (PCE) était de 7,16 % lorsque la pyrite non dopée était utilisée comme CE et de 8,36 % lorsque la concentration de cobalt et de fer était égale dans le CE. L’augmentation du PCE a été attribuée à l’augmentation de la densité de courant et du facteur de remplissage.
Un composite de graphène dopé au soufre avec de la pyrite a été utilisé comme électrocatalyseur dans les DSSC. Le CE de la pyrite a démontré un PCE de 8,1 %, ce qui était similaire au PCE de 8,3 % obtenu lorsque le platine est utilisé comme CE. De plus, la structure de pyrite obtenue présente une stabilité améliorée.
Des nanoparticules de pyrite poreuses creuses de 150 ± 25 nm de diamètre synthétisées par sulfuration d’oxyde de fer obtenu à partir de bleu de Prusse ont été utilisées comme CE dans les DSSC. La pyrite creuse synthétisée a donné un PCE de 7,31 %.
En résumé, l’utilisation de la pyrite de fer dans les cellules solaires peut augmenter considérablement leur PCE. Cependant, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour étudier la faisabilité de l’utilisation de cette stratégie à l’échelle commerciale pour répondre aux besoins énergétiques futurs de manière durable et respectueuse de l’environnement.
Utiliser du sel marin pour produire de l’électricité
Un nouveau dispositif de génération d’électricité par l’humidité (MEG) a été créé par une équipe de scientifiques du College of Design and Engineering (CDE) de l’ Université nationale de Singapour (NUS). Il est composé d’une fine couche de tissu d’environ 0,3 mm d’épaisseur, de sel marin, d’encre au carbone et d’un gel unique absorbant l’eau. (3)
Cette technologie suscite un intérêt croissant pour son éventail d’applications dans des secteurs comme les capteurs autonomes, les gadgets auto-alimentés, l’électronique portable, les moniteurs de santé, les dispositifs de stockage d’informations, …
Cependant, deux problèmes majeurs avec les technologies MEG existantes sont que l’appareil devient saturé d’eau lorsqu’il est exposé à l’humidité ambiante et des performances électriques inférieures. Par conséquent, les appareils MEG traditionnels ne produisent pas suffisamment d’électricité pour alimenter durablement les équipements électriques.
Pour résoudre ces problèmes, un groupe de recherche du Département des sciences et de l’ingénierie des matériaux au sein du CDE (3) a développé un nouveau dispositif MEG avec deux zones aux propriétés distinctes qui maintiennent en permanence une disparité dans la teneur en eau à travers les régions pour créer de l’énergie et permettre une production électrique pour des centaines de heures. Le professeur adjoint Tan Swee Ching a dirigé l’équipe d’étude.
« Le sel de mer a été choisi comme composé absorbant l’eau en raison de ses propriétés non toxiques et de son potentiel à fournir une option durable aux usines de dessalement pour éliminer le sel de mer et la saumure générés » explique Tan Swee Ching, professeur adjoint, science et génie des matériaux, Université nationale de Singapour
Le professeur assistant Tan Swee Ching (au centre), en collaboration avec le Dr Zhang Yaoxin (à gauche) et M. Qu Hao (à droite). Crédit image : Université nationale de Singapour
Une « Batterie » à base de tissu auto-rechargeable de longue durée
Un mince morceau de tissu recouvert de nanoparticules de carbone a été utilisé par les scientifiques. La zone humide fait référence à la zone du tissu qui est enduite d’un hydrogel ionique hygroscopique. Le gel absorbant l’eau unique, créé à partir de sel marin, peut absorber plus de six fois son poids initial et est utilisé pour extraire l’humidité de l’atmosphère.
L’autre extrémité du tissu ne contient pas de couche d’hydrogel ionique hygroscopique et est classée comme zone sèche. Cela permet de s’assurer que l’eau est confinée dans la région humide et que la région sèche reste sèche. Une fois l’appareil MEG assemblé, l’électricité est produite lorsque les ions du sel marin sont séparés lorsque l’eau est absorbée dans la zone humide.
Les nanoparticules de carbone chargées négativement absorbent les ions libres de charge positive (cations). Un champ électrique est créé dans tout le tissu en raison des modifications de sa surface. Le tissu peut stocker de l’électricité pour une utilisation ultérieure, grâce à ces modifications de la surface.
Les scientifiques de NUS ont pu maintenir une teneur élevée en eau dans la zone humide et une faible teneur en eau dans la région sèche en utilisant une nouvelle conception des régions humides-sèches. Même lorsque la zone humide est complètement immergée dans l’eau, cela maintiendra la production électrique.
De l’eau était toujours présente dans la zone humide après 30 jours dans un environnement exposé et humide, ce qui prouve la capacité de l’appareil à maintenir la production électrique.
« Notre appareil présente une excellente évolutivité à un faible coût de fabrication. Par rapport à d’autres structures et dispositifs MEG, notre invention est plus simple et plus facile pour la mise à l’échelle des intégrations et des connexions. Nous pensons qu’il est très prometteur pour la commercialisation », a déclaré le professeur adjoint Asst Tan, science et génie des matériaux, Université nationale de Singapour.
La colorisation des panneaux solaires photovoltaïques
Les panneaux solaires ne sont pas réservés qu’aux toits ; certains bâtiments ont ces dispositifs générateurs d’énergie couvrant chaque centimètre de leur extérieur. Cependant, comme de plus en plus de structures et d’espaces publics utilisent la technologie solaire, les observateurs peuvent ne pas apprécier leur apparence sombre et uniforme.
Un groupe de scientifiques chinois, de différentes universités (4) a récemment développé des panneaux solaires qui produisent de l’énergie presque aussi efficacement que les panneaux conventionnels tout en prenant des teintes colorées.
Le groupe a appliqué sur les surfaces des cellules solaires un fin brouillard d’une substance connue sous le nom de verre photonique. Une fine couche désorganisée de sphères diélectriques microscopiques de sulfure de zinc formait le verre.
Crédit image : ACS Nano 2022.
Le verre photonique laissait passer la plupart de la lumière, mais selon la taille des sphères, certaines couleurs étaient réfléchies. En utilisant cette technique, les chercheurs ont réussi à produire des panneaux solaires aux teintes bleues, vertes et violettes tout en réduisant l’efficacité de la production d’électricité de 22,6 % à 21,5 %.
De plus, ils ont découvert que la fabrication pouvait être mise à l’échelle et que les panneaux solaires fabriqués avec cette couche de verre photonique conservaient leur apparence et leur fonctionnalité lors des tests de durabilité conventionnels. Les chercheurs veulent étudier des techniques pour produire une plus grande gamme de teintes ainsi que des stratégies pour rendre les couleurs plus saturées.
