Qu'est-ce qu'une cellule pérovskite ?
Les cellules solaires à pérovskite (CSP) sont des cellules solaires à couches minces composites de nouvelle génération qui utilisent des matériaux pérovskites comme couches absorbant la lumière. Le nom « pérovskite » provient du nom du minéralogiste russe Perovski, et les cristaux de structure ABX₃ et similaires sont collectivement appelés pérovskites. Les cellules solaires à pérovskite sont des cellules solaires qui utilisent des semi-conducteurs halogénures métalliques organiques de type pérovskite comme matériaux absorbant la lumière.
Le terme pérovskite ne désigne pas spécifiquement un composé contenant du calcium et du titane, mais un terme général pour une classe de matériaux cristallins ayant une structure ABX3, et il existe de nombreux types de matériaux parmi lesquels choisir.
La structure d'une cellule pérovskite est principalement composée des éléments suivants : un substrat conducteur transparent, une couche de transport d'électrons, une couche de pérovskite absorbant la lumière, une couche de transport de trous et une électrode métallique. Ces composants fonctionnent de concert pour permettre aux cellules pérovskites d'absorber efficacement la lumière solaire et de la convertir en énergie électrique.
Substrat conducteur transparent :C’est le principe de base des cellules pérovskites. Elles sont généralement constituées de matériaux tels que l’oxyde d’étain dopé au fluor (FTO) ou l’oxyde d’étain dopé à l’indium (ITO), qui présentent une transmittance lumineuse élevée et une bonne conductivité. Leur fonction principale est de capter la lumière solaire et de collecter le courant généré. Le choix du substrat conducteur transparent est crucial pour les performances des cellules solaires pérovskites, car il influe non seulement sur l’incidence de la lumière, mais aussi sur l’extraction du courant.
Couche de transport d'électrons : Située entre le substrat conducteur transparent et la couche d'absorption de lumière en pérovskite, sa fonction principale est le transport des électrons. Les matériaux couramment utilisés pour cette couche comprennent le dioxyde de titane (TiO₂) et l'oxyde de zinc (ZnO). Ces matériaux présentent une bonne mobilité et stabilité des électrons et permettent le transfert des électrons générés dans la couche d'absorption de lumière en pérovskite vers le substrat conducteur transparent.
Couche d'absorption de lumière en pérovskite :Il s'agit du cœur de la cellule solaire pérovskite, principalement composé de matériaux pérovskites halogénés organiques de structure ABX3. Ces matériaux présentent d'excellentes performances de conversion photoélectrique et convertissent efficacement l'énergie solaire en énergie électrique. Le procédé de fabrication et les performances de la couche d'absorption de lumière en pérovskite influencent de manière déterminante les performances globales des cellules solaires pérovskites.
Couche de transport des trous :Située entre la couche de pérovskite absorbant la lumière et l'électrode métallique, sa fonction principale est le transport des trous. Parmi les matériaux couramment utilisés pour les couches de transport de trous, on trouve le Spiro-OMeTAD. Ces matériaux permettent d'extraire et de transporter efficacement les trous photogénérés, améliorant ainsi le rendement de conversion photoélectrique de la cellule.
Électrode métallique : Il s'agit de la dernière étape de fabrication des cellules solaires à pérovskite, principalement responsable du transfert des charges et de la connexion aux circuits externes. Elle consiste généralement à déposer par évaporation une couche d'or, d'argent ou d'aluminium sur la couche de transport de trous afin d'améliorer la conductivité de l'électrode.
La classification structurelle des cellules solaires à pérovskite est diverse, et chaque structure possède ses propres caractéristiques et scénarios d'application, incluant généralement une structure mésoporeuse formelle, une structure planaire formelle et une structure trans-planaire.
Stade de développement des cellules pérovskites
L'histoire du développement des cellules HJT peut être divisée en quatre étapes : la période de prototypage technologique, la période d'accumulation technologique, la période de développement rapide et la période d'émergence.
Avantages des cellules pérovskites
Comparée au silicium cristallin, la pérovskite présente trois avantages principaux, à savoir : rendement de conversion photoélectrique élevé, matières premières abondantes et synthèse facile, processus de production court et nombreux scénarios d'application.
rendement de conversion photoélectrique élevé
Les données montrent que le rendement théorique limite des cellules en silicium monocristallin est d'environ 29 %, tandis que celui des cellules photovoltaïques pérovskites à simple jonction peut atteindre 31 %. Les cellules pérovskites empilées, notamment les cellules à double jonction silicium cristallin/pérovskite, peuvent atteindre un rendement de conversion de 35 %, et le rendement théorique des cellules pérovskites à triple jonction peut dépasser 45 %. De ce fait, l'industrie les considère comme la prochaine génération de cellules photovoltaïques dominantes. Technologie photovoltaïquenologie.
Matières premières riches et faciles à synthétiser
La matière première de base des cellules en silicium cristallin est le silicium polycristallin, dont la purification est très énergivore. Le procédé de fabrication des cellules pérovskites, quant à lui, ne requiert pas de silicium. Les matières premières nécessaires à la production de pérovskites halogénées métalliques sont abondantes et peu coûteuses, et la préparation du précurseur liquide est simple et peu exigeante en termes de pureté. Les composants suivants ne nécessitent pas d'environnement de traitement complexe. Leur fabrication ne requiert pas les températures de traitement d'environ 1 000 °C des cellules en silicium cristallin. La consommation d'énergie est relativement faible et la plupart des étapes ne nécessitent pas de vide. Actuellement, le matériau d'électrode représente la part la plus importante du coût des composants pérovskites, soit 37 %, tandis que le coût des matériaux pérovskites eux-mêmes ne représente que 5 %. Le coût des composants pérovskites présente encore un important potentiel de réduction.
Processus de production court
Les cellules en silicium cristallin nécessitent généralement quatre étapes de production et de fabrication : matériaux en silicium, plaquettes de silicium, cellules et composants. Ce processus prend au moins trois jours, tandis que la production de cellules à base de minerai de titane est simple. Le verre, le film, les matériaux cibles et les matières premières chimiques peuvent être transformés en composants dans une seule usine en 45 minutes. La chaîne industrielle est considérablement raccourcie et la valeur ajoutée est fortement concentrée.
Scénarios d'application riches
La pérovskite se caractérise par sa légèreté, sa flexibilité et sa haute résistance à la faible luminosité, ce qui lui confère un large éventail d'applications. Parmi celles-ci figurent les bâtiments photovoltaïques, les murs-rideaux photovoltaïques, les pierres photovoltaïques, les toitures photovoltaïques, les appareils mobiles et les produits électroniques, les capteurs connectés, etc. Avec les progrès technologiques, les applications de la pérovskite sont de plus en plus prometteuses.
procédé de cellule pérovskite
Le procédé de préparation de la couche absorbant la lumière des cellules pérovskites s'apparente généralement à celui utilisé pour la fabrication de cellules photovoltaïques en couches minces, telles que les couches minces à base de silicium et les couches minces de séléniure de cuivre, d'indium et de gallium. Il se divise en deux catégories : les procédés par voie humide et les procédés par voie sèche. Parmi les procédés par voie humide, on trouve notamment le dépôt par fenêtrage et la sérigraphie.
Généralement, les entreprises spécialisées dans les cellules pérovskites réalisent des démonstrations préliminaires de différentes voies techniques en laboratoire. Pour la mise en place d'une ligne de production pilote à grande échelle (100 MW), la plupart des entreprises utilisent actuellement des procédés par voie humide pour la préparation des composants pérovskites, tandis que quelques-unes optent pour des procédés par voie sèche ou des procédés en deux étapes combinant dépôt et évaporation.
Outre la couche d'absorption de la lumière, la couche centrale d'une cellule pérovskite à jonction unique comprend également une couche de transport d'électrons et une couche de transport de trous. Les procédés de dépôt de ces deux couches sont relativement similaires et reposent principalement sur le dépôt physique en phase vapeur (PVD), incluant la pulvérisation cathodique magnétron et l'évaporation, le dépôt par plasma réactif (RPD) et le revêtement par sérigraphie. Actuellement, les procédés les plus courants pour la préparation des couches centrales de pérovskite sont les suivants : PVD → revêtement par sérigraphie (impression sérigraphique) → RPD (PVD), PVD → PVD (dépôt en phase vapeur) → RPD (PVD) et PVD → revêtement par sérigraphie + PVD (évaporation) → RPD (PVD). Chaque procédé présente des avantages et des inconvénients, et aucun procédé unifié n'a encore été établi.
Procédé de revêtement d'une cellule pérovskite : flux complet de la ligne de production
Le processus de production complet d'une cellule pérovskite par revêtement se divise en deux étapes : la préparation de la cellule (en amont) et l'intégration des composants (en aval), pour un total de plus de 30 étapes. La préparation de l'électrode avant comprend principalement la préparation de l'électrode avant, la gravure laser, la couche d'absorption de lumière pérovskite, le transport des électrons et des trous, la préparation de l'électrode arrière, etc. La couche d'absorption de lumière pérovskite est l'étape la plus critique. La fabrication des cellules arrière comprend principalement le laminage sur ruban adhésif, le revêtement d'adhésif butyle, le laminage et le soudage des boîtes de jonction, les tests, etc.
agencement d'entreprise de cellules pérovskites
Actuellement, la technologie des cellules pérovskites est sur le point d'entrer en production de masse à l'échelle commerciale. De nombreuses entreprises spécialisées dans la recherche et le développement et la fabrication de cellules pérovskites, telles que GCL Optoelectronics, Xianna Optoelectronics, Jidian Optoelectronics, Wandu Optoelectronics et Renshuo Optoelectronics, s'emploient activement à promouvoir la production de masse de ces cellules. Parallèlement, les entreprises initialement spécialisées dans les cellules en silicium cristallin investissent massivement dans la recherche et le développement de cellules combinant pérovskite et silicium cristallin.
Tendances futures de développement des pérovskites cellule
Actuellement, l'industrie considère généralement que la cellule empilée composée de pérovskite et de silicium cristallin représente une voie technologique majeure pour l'avenir. Par conséquent, l'industrie est globalement optimiste quant au développement des cellules pérovskites, qui bénéficient également de la faveur des entreprises photovoltaïques et des investisseurs. L'industrie prévoit que la capacité de production de cellules pérovskites atteindra 461 GW en 2030.
D'après des statistiques incomplètes, entre 2023 et aujourd'hui, des entreprises telles que Pulse Energy, Zhongneng Photovoltaic Storage, Heijing Optoelectronics, Renshuo Photovoltaic et Jidian Photovoltaic ont réalisé 15 levées de fonds. Le montant de ces financements varie de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de millions.
Le principal avantage de la technologie des cellules pérovskites réside dans son potentiel futur, ce qui lui confère une valeur d'investissement potentielle et explique pourquoi elle est également prisée par les grands capitaux et les banques d'investissement.