Cellules solaires à pérovskite : le processus sous vide pourrait offrir une courte voie vers la commercialisation


Au cours de la dernière décennie, les cellules solaires tandem pérovskite-silicium ont connu un développement étonnant. La recherche a montré des rendements de plus de 33 pour cent, dépassant de loin ceux des cellules solaires conventionnelles à base de silicium. Cependant, la technologie n’a pas encore atteint le marché. L’un des défis majeurs réside dans la question non résolue de savoir quel procédé est le mieux adapté à la production en masse de cellules solaires à pérovskite. Alors que les procédés de fabrication à base de solvants sont utilisés dans les laboratoires du monde entier, les procédés de dépôt sous vide en phase vapeur restent la norme pour la production de films minces pour le photovoltaïque ou les diodes électroluminescentes organiques (OLED).

Un consortium international de partenaires universitaires et industriels dirigé par NREL et KIT a publié une étude comparative qui révèle des différences majeures dans la discussion scientifique de ces processus de production. Le professeur titulaire Ulrich W. Paetzold de l'Institut de technologie des microstructures et de l'Institut de technologie de la lumière du KIT explique : « En 2022, 98 % de toutes les études scientifiques portaient sur des procédés à base de solvants. Les procédés sous vide, en revanche, ont prouvé eux-mêmes dans l'industrie depuis de nombreuses décennies. Bien qu'ils puissent faire progresser de manière décisive la commercialisation des cellules solaires, ils sont fortement sous-représentés.

La fabrication à base de solvants 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 en utilisant diverses techniques d'impression. La fabrication sous vide, quant à elle, utilise des procédés secs et sans solvant. Les matériaux sont sublimés sous vide sous apport de chaleur, c'est-à-dire qu'ils passent de l'état solide à l'état gazeux et se condensent à la surface du substrat. Il est également possible de combiner les deux procédés pour la production de cellules solaires à pérovskite.

L'efficacité et le débit des laboratoires ne font pas tout dans la production de masse

Dans leur étude, les auteurs ont analysé les avantages et les inconvénients des deux méthodes. La domination 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. Une production rouleau à rouleau évolutive, telle qu'elle est utilisée dans l'impression de journaux, est possible.

La production sous vide est associée à des coûts d’investissement légèrement plus élevés. Les taux de dépôt restent inférieurs à ceux de la production scientifique à base de solvants. Cependant, les auteurs présentent diverses solutions et concluent que la technologie basée sur le 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. La bonne reproductibilité du dépôt, la facilité de contrôle du processus, la disponibilité des équipements de processus industriels et la facilité d'évolutivité du dépôt depuis de 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. « La fabrication sous vide est plus performante que sa réputation », déclare Tobias Abzieher. Les auteurs n’ont donc pas été surpris de constater que l’industrie s’intéresse déjà beaucoup aux procédés sous vide pour la production de cellules solaires en pervoskite, même s’ils diffèrent de la méthode principalement utilisée dans la recherche.

Selon les chercheurs, pour tirer pleinement parti des effets d’échelle des processus basés sur le vide, des améliorations supplémentaires sont nécessaires. Il est important d'étudier la qualité du dépôt pour améliorer l'efficacité. De plus, le taux de dépôt doit être considérablement augmenté. « Non seulement le dépôt en phase vapeur est le choix numéro un de l'industrie lorsqu'il s'agit de commercialiser un nouveau produit à couche mince, mais notre analyse montre qu'il peut également être compétitif en termes de coût par rapport au dépôt en solution », ajoute David Moore de NREL.

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