Nanoparticules d’Alumine Durables Augmentent la Durée de Vie des Cellules Solaires à Pérovskite 10 fois

Une équipe de chercheurs innovants vient de publier une étude démontrant comment les nanoparticules d’alumine peuvent prolonger la durée de vie des panneaux solaires dix fois. Alors que la communauté mondiale se rapproche de son objectif d’atteindre la neutralité carbone d’ici les prochaines décennies, il y a une forte incitation à introduire les énergies renouvelables sur le marché. Les options d’énergie renouvelable comme les éoliennes et les panneaux solaires offrent une solution énergétique fiable et propre. Cependant, ces dispositifs ne sont pas parfaits et leurs performances se dégradent avec le temps.

Types de panneaux solaires

La technologie des panneaux solaires continue d’évoluer. Aujourd’hui, il existe quatre principaux types de panneaux solaires sur le marché : PERC, monocrystallin, polycrystallin et panneaux à couche mince. Ces options ont leurs avantages et inconvénients en termes d’efficacité, de durée de vie, de taille et de durabilité.

PERC  (Passivated Emitter and Rear Cell)

Les panneaux solaires PERC intègrent un design à double couche pour maximiser l’efficacité. Notamment, ce type de panneau peut atteindre une efficacité de +20 % grâce à cette configuration. Il offre une durabilité et une durée de vie moyennes. Cependant, c’est l’option la plus chère de la liste, ce qui la rend peu adaptée à la plupart des propriétaires.

Monocrystallin

Les panneaux monocrystallins sont une autre option coûteuse qui produit une efficacité de 20 %. Ce panneau utilise du cristal de silicium comme matériau de base. Cette configuration offre la plus longue durée de vie parmi les quatre options, mais elle augmente également le coût global de ces panneaux.

Source – ACS

Polycrystallin

Les panneaux polycrystallins sont fabriqués en faisant fondre des fragments de silicium ensemble. Cette approche réduit les coûts de fabrication, rendant cette option plus abordable. Cependant, ces unités sont plus grandes que leurs homologues et sont moins efficaces. Dans la plupart des cas, elles affichent une efficacité moyenne de 15 %.

Panneaux à couche mince

Les panneaux à couche mince offrent la plus faible efficacité, mais offrent la plus grande flexibilité et accessibilité. Ce sont les panneaux que l’on voit sur les camping-cars et autres zones où l’espace est limité. Les panneaux à couche mince peuvent être fabriqués à partir de divers matériaux. Deux options courantes sont le CdTe (Tellurure de Cadmium) et le a‑Si (Silicium amorphe).

Cellules solaires à pérovskite (PSC)

Les cellules solaires à pérovskite sont le type de panneau solaire le plus avancé utilisé aujourd’hui. Ces panneaux à base de silicium offrent une haute efficacité dans une forme compacte et légère. Pour accomplir cela, ils intègrent des monocouches auto‑assemblées (SAM) afin d’améliorer les performances sans augmenter les prix.

Problèmes des PSC

Les PSC présentent encore de nombreux inconvénients. Tout d’abord, elles subissent des fuites d’iode comme d’autres options de panneaux. La génération d’iode moléculaire se produit avec le temps en raison de réactions chimiques au sein de ces matériaux, accélérant les processus de dégradation et réduisant les performances.

Étude sur les nanoparticules d’alumine

Conscients du manque de compréhension de l’influence des modificateurs moléculaires sur les propriétés électriques et électroniques à l’échelle nanométrique des pérovskites et la stabilité des dispositifs, des ingénieurs de l’Université de Surrey ont proposé une méthode novatrice pour améliorer la durée de vie et les performances de ces dispositifs.

Le rapport “Improved stability and electronic homogeneity in perovskite solar cells via a nanoengineered buried oxide interlayer“¹ publié dans EES Solar révèle le fonctionnement interne de ces matériaux pendant le processus de dégradation, permettant aux ingénieurs de mieux comprendre les modificateurs de surface et comment les exploiter pour améliorer les futurs dispositifs. Dans le cadre de l’étude, l’équipe a commencé par tester la durabilité des principaux types de panneaux solaires les uns contre les autres.

PFN–Br

Cet électrolyte polymère est couramment utilisé dans les PSC. Il offre des performances fiables et une durée de vie moyenne. L’équipe a décidé d’utiliser ce matériau car il est considéré comme le plus avancé sur le marché actuel.

Nanoparticules d’alumine (Al₂O₃)

Les ingénieurs ont développé des nanoparticules d’alumine (Al₂O₃) dans le cadre de leurs recherches. Ces minuscules particules ont été conçues pour piéger l’iode qui se libère dans le panneau solaire avec le temps. L’objectif était d’empêcher l’iode de s’échapper dans le reste de la cellule et de dégrader les performances.

Pérovskites 2D

Pour accomplir cette tâche, les ingénieurs ont créé une barrière pérovskite 2D contre l’humidité. Cette barrière empêchait tout matériau extérieur d’entrer dans le panneau et de provoquer la dégradation. Cette stratégie a augmenté la fiabilité et la durabilité du panneau.

Test des nanoparticules d’alumine

Afin de tester leur théorie, les ingénieurs ont dû placer les panneaux dans des conditions réelles. Dans le cadre de la phase de test, l’équipe a conçu des scénarios de chaleur et d’humidité sévères. Les panneaux ont ensuite été placés dans ces environnements et testés. En utilisant la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS), l’équipe a suivi attentivement l’évolution des cellules dégradées sous conditions stressantes.

Microscopie à force de sonde Kelvin

Ensuite, les ingénieurs ont utilisé un microscope à force de sonde Kelvin pour surveiller l’influence des modificateurs sur la surface et l’homogénéité électronique des échantillons neufs et dégradés. Le microscope KPF a été utilisé pour analyser l’homogénéité électronique de surface des films pérovskites. Cela a aidé les chercheurs à comprendre comment les nanoparticules d’alumine contribuent à une meilleure stabilité et à une réduction de la dégradation, plutôt que d’observer directement leur fonctionnement.

Tests de stabilité

Les tests de stabilité consistaient à observer comment la couche barrière d’humidité encapsulée résistait à des conditions intenses. Les dispositifs ont été testés périodiquement après chaque cycle d’exposition. Cette stratégie a facilité les comparaisons directes de chaque cellule.

Résultats du test des nanoparticules d’alumine

Les résultats du test montrent un fort potentiel pour cette technologie. D’une part, les cellules fabriquées avec des nanoparticules d’alumine ont produit davantage d’énergie et pouvaient être allégées. Ces dispositifs ont démontré de hautes performances avec une dégradation minimale de la production d’énergie enregistrée sur 1 530 heures de test.

Plus précisément, les unités imprégnées de nanoparticules ont démontré une durée de vie dix fois plus longue que les précédentes. Les ingénieurs ont constaté que les nanoparticules Al₂O₃ contribuaient à une structure pérovskite plus homogène. Cette architecture améliorée présentait moins de défauts et renforçait la connectivité électrique.

De manière impressionnante, les nanoparticules ont créé un revêtement protecteur 2D qui a empêché l’humidité de pénétrer dans les unités. Les tests ont montré un faible taux de perméation d’eau d’environ 4 × 10⁻³ g par m² par jour. Ainsi, les nouvelles unités sont mieux adaptées aux conditions météorologiques défavorables et aux installations permanentes.

Avantages des nanoparticules d’alumine

Il existe une longue liste d’avantages qui font des nanoparticules d’alumine un remplacement judicieux pour d’autres options. D’une part, elles offrent une haute efficacité à partir d’un petit facteur de forme. Celles destinées à des espaces limités, comme les toits urbains, tireront davantage profit de ces panneaux.

Durée de vie plus longue

Ajouter du solaire à votre maison ou à votre entreprise n’est pas bon marché. Il est courant qu’un système coûte plus de 50 000 $. Toute technologie capable d’allonger la durée de vie de ces dispositifs et de réduire les coûts verra rapidement une adoption sur le marché.

Moins cher à fabriquer

Un autre avantage majeur de la création de panneaux à nanoparticules d’alumine est qu’ils coûtent moins cher à fabriquer compte tenu de leur potentiel d’allongement de la durée de vie. À mesure que les panneaux solaires deviennent plus avancés, la tendance a été que les nouvelles versions coûtent nettement plus cher que leurs prédécesseurs. Cette percée scientifique récente pourrait inverser cette tendance et permettre aux fabricants d’offrir de meilleurs produits à moindre coût.

Chercheurs sur les nanoparticules d’alumine

L’étude sur les nanoparticules d’alumine a été présentée par une équipe d’ingénieurs de l’Université de Surrey. Elle cite W. Hashini K. Perera comme auteur principal, aux côtés d’une équipe de collaborateurs du National Physical Laboratory et de l’Université de Sheffield. Aujourd’hui, l’équipe cherche à approfondir ses recherches afin d’améliorer les panneaux solaires avec l’objectif de perfectionner la technologie suffisamment pour produire des produits commerciaux d’ici 2 à 5 ans.​

Entreprises leaders du marché des panneaux solaires

La course à l’énergie propre a conduit à l’émergence de plusieurs fabricants de panneaux solaires notables et d’acteurs du marché. Des développeurs de nouvelles technologies aux installateurs de panneaux, le secteur continue de se développer. Voici une entreprise bien placée pour tirer parti de toute avancée majeure dans la technologie solaire et augmenter les rendements.

First Solar, Inc.

First Solar Inc. (FSLR ) a rejoint le marché en 1999 avec l’objectif de fournir des systèmes solaires fiables au marché mondial. Notamment, l’entreprise a été rebaptisée de Solar Cells dans le cadre de son pivot vers les cellules photovoltaïques (PV). Actuellement, la société est basée à Tempe, Arizona, et propose une large gamme de solutions d’énergie solaire.

Il est notable que First Solar est le seul grand fournisseur américain de systèmes solaires qui n’utilise pas de fabrication chinoise. L’entreprise fabrique ses panneaux à couche mince de tellurure de cadmium (CdTe) aux États-Unis. De plus, First Solar a été parmi les premières à proposer des modules solaires CdTe fiables sur le marché.

Ceux qui souhaitent s’exposer au secteur solaire devraient approfondir leurs recherches sur First Solar. L’entreprise jouit d’une bonne réputation. De plus, son positionnement sur le marché lui permettrait d’introduire de nouvelles technologies comme les nanoparticules d’alumine afin d’améliorer les performances de ses produits. Ainsi, First Solar est considéré par beaucoup comme un « Strong Buy ».

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Les nanoparticules d’alumine rendent les panneaux solaires plus résilients

La nécessité de réduire la dépendance aux combustibles fossiles a entraîné une hausse des installations de panneaux solaires au cours de la dernière décennie. Cette recherche récente pourrait aider à accroître l’adoption des systèmes solaires en réduisant les coûts et en améliorant les performances ainsi que la durée de vie. En conséquence, cette équipe mérite des éloges pour avoir ouvert la voie à de futures innovations.

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Études référencées :

^{1. Perera, W. H. K., Woodgate, T. J., Kim, D. K., Kilbride, R. C., Masteghin, M. G., Smith, C. T. G., Hinder, S. J., Wood, S., Jayawardena, K. D. G. I., & Silva, S. R. P. (2025). Improved stability and electronic homogeneity in perovskite solar cells via a nanoengineered buried oxide interlayer. EES Solar. https://doi.org/10.1039/d4el00029c}