L’attachement de petites cellules solaires, à la manière des minuscules lentilles que composent l’oeil d’un insecte, pourrait ouvrir la voie à une nouvelle génération de système photovoltaïque ont précisé dans une étude détaillée, un groupe de chercheurs de l’Université de Stanford.
Les scientifiques se sont inspirés des yeux d’insectes afin de pouvoir protéger un matériau photovoltaïque extrêmement fragile de la dégradation lorsque celui-ci est exposé à la chaleur, à l’humidité ou au stress mécanique.
« Les pérovskites constituent des matériaux prometteurs et peu coûteux qui transforment la lumière du soleil en électricité aussi efficacement que les cellules solaires conventionnelles en silicium », a déclaré Reinhold Dauskardt, professeur de science et d’ingénierie des matériaux et auteur principal de l’étude. « Le problème est que les pérovskites sont extrêmement instables et mécaniquement fragiles. Ils survivent à peine au processus de fabrication, et encore moins à long terme dans l’environnement ».
La plupart des dispositifs solaires, comme les panneaux solaires en toiture, utilisent généralement un design plat ou planaire. Mais cette approche ne fonctionne pas bien avec les cellules solaires en pérovskite.
« Le pérovskite reste un matériau des plus fragiles jamais testé dans notre laboratoire », a déclaré Nicholas Rolston, Etudiant diplômé et co-auteur principal de l’étude E&ES. « Cette fragilité est liée à la structure cristalline en forme de sel, qui présente des propriétés mécaniques similaires au sel de table ».
Oeil de mouche
Pour remédier au défi de durabilité, l’équipe de Stanford s’est tournée vers la nature.
« Nous avons été inspirés par l’œil à facette de la mouche, qui se compose de centaines de petits yeux segmentés », a expliqué Reinhold. « Il est en forme de nid d’abeilles avec un niveau de redondance inégalé : si vous perdez un segment, des centaines d’autres fonctionneront. Chaque segment est très fragile, mais il est protégé par un mur structurant autour de lui ».
En utilisant l’œil à facette comme modèle, les chercheurs ont créé une cellule solaire à facette semblable à un grand nid d’abeilles avec des micro-cellules en pérovskite, chacune étant encapsulée dans une structure hexagonale de seulement 0,02 pouce (500 microns) de largeur.
Un structure de cellule solaire en alvéole remplie avec de la pérovskite après un test de fracture.
« Le squelette est constitué d’une résine époxy peu coûteuse largement utilisée dans l’industrie de la microélectronique », a ajouté Nicholas Rolston. « C’est résistant aux contraintes mécaniques et donc plus résistant aux fractures ».
Les essais menés au cours de l’étude ont révélé que ce type d’agencement avait peu d’impact sur la capacité de la pérovskite à convertir la lumière en électricité.
« Nous avons presque la même efficacité de conversion (de puissance) pour chaque petite cellule en pérovskite que nous recevrions pour une cellule solaire planaire », a déclaré Dauskardt. « Nous avons donc réalisé une énorme augmentation de la résistance aux fractures sans pour autant pénaliser l’efficacité ».
Schéma d’une cellule solaire dotée d’une architecture hexagonale (gris) qui est utilisée pour diviser la pérovskite (noir) en micro-cellules pour assurer une stabilité mécanique et chimique.
Durabilité
Une question restait toutefois en suspend ! Le nouveau dispositif pourrait-il supporter le type de chaleur et d’humidité que supporteraient les panneaux solaires en toiture ?
Pour le découvrir, les chercheurs ont exposé des cellules en pérovskite encapsulées à des températures de 85°C et 85% d’humidité relative pendant six semaines. Malgré ces conditions extrêmes, les cellules ont continué à générer de l’électricité à des taux d’efficacité relativement élevés.
Pour améliorer son efficacité, les chercheurs étudient maintenant de nouvelles façons de disperser la lumière de la structure dans le noyau en pérovskite de chaque cellule.
« Nous sommes très enthousiasmés par ces résultats », a conclu le Pr. Dauskardt. « C’est une nouvelle façon de penser à la conception des cellules solaires. Cet architecture a également l’air très sympathique ; il existe donc des possibilités esthétiques intéressantes pour les applications dans le monde réel ».
Une cellule solaire complexe éclairée à partir d’une source lumineuse.
Les structures hexagonales sont visibles dans les régions recouvertes par une électrode en argent.