fr.wedoany.com Rapport : Imaginez un instant : votre voiture garée au soleil recharge sa batterie grâce à ses vitres et à son toit ouvrant ; ou encore, vos lunettes intelligentes captent la lumière directement à travers leurs verres pour alimenter les composants électroniques de la monture.
Ces scénarios dignes de la science-fiction se rapprochent de la réalité, grâce à une nouvelle génération de cellules solaires ultraminces et transparentes, mises au point par des scientifiques de l'Université technologique de Nanyang à Singapour (NTU Singapore).
L'équipe de recherche, dirigée par le professeur associé Annalisa Bruno, a développé une cellule solaire transparente en pérovskite, d'une épaisseur équivalente à un dix-millième de cheveu humain, soit cinquante fois plus fine que les cellules conventionnelles en pérovskite.
Plus remarquable encore : malgré cette réduction drastique d'épaisseur, l'efficacité de conversion photovoltaïque de cette cellule a atteint un nouveau record pour ce type de cellules ultraminces en pérovskite.
Les résultats ont été publiés dans la revue « ACS Energy Letters ». Les chercheurs estiment que cette technologie pourrait, à l'avenir, être largement utilisée dans les secteurs du bâtiment, de l'automobile et des appareils portables, sans modifier leur apparence extérieure.
La cellule est semi-transparente et de teinte neutre, ce qui permet de l'intégrer dans des fenêtres ou des façades d'immeubles, conférant ainsi à l'ensemble du bâtiment la capacité de produire de l'électricité sans en altérer l'aspect visuel.
« Environ 40 % de la consommation énergétique mondiale provient du secteur du bâtiment. Il existe donc un besoin croissant pour des technologies capables de transformer les façades en vecteurs de production d'électricité », explique le professeur Bruno, qui exerce à l'École des sciences physiques et mathématiques ainsi qu'à l'École de génie des matériaux et des sciences de l'ingénieur de la NTU.
Le professeur Bruno, qui dirige également le cluster des énergies renouvelables, des solutions bas carbone et du stockage d'énergie à l'Institut de recherche énergétique de la NTU, ajoute : « Notre cellule en pérovskite présente des avantages évidents : son procédé de fabrication est simple et se déroule à basse température. De plus, elle peut être adaptée pour absorber des longueurs d'onde spécifiques de la lumière tout en restant transparente. Elle offre également un potentiel de production à grande échelle, ce qui permet de réduire son empreinte carbone globale. »
Contrairement aux panneaux solaires traditionnels en silicium, cette cellule en pérovskite continue de produire de l'électricité même sous une lumière indirecte ou diffuse. Cette caractéristique est particulièrement adaptée aux environnements urbains denses comme Singapour, où les immeubles de grande hauteur aux façades vitrées verticales sont nombreux et où la couverture nuageuse est fréquente, rendant difficile l'exploitation optimale de la lumière solaire par les panneaux traditionnels.
L'équipe de recherche donne un exemple : si la technologie est déployée à grande échelle à l'avenir, les vastes façades vitrées ne seront plus de simples enveloppes de bâtiments, mais pourraient devenir de véritables centrales électriques urbaines.
Selon des estimations préliminaires, si cette technologie était appliquée aux immeubles de bureaux à façades vitrées dans des quartiers comme Raffles Place ou Marina Bay, la production annuelle d'électricité pourrait théoriquement atteindre plusieurs centaines de milliers de kilowattheures.
La quantité exacte d'électricité produite dépend de la surface vitrée et de l'orientation du bâtiment, mais sa capacité de production annuelle serait suffisante pour couvrir les besoins en électricité d'environ 100 appartements standard de quatre pièces du Housing and Development Board de Singapour.
Fabrication de cellules solaires quasi invisibles
Une cellule solaire en pérovskite est en réalité constituée de plusieurs couches, dont la plus importante est une couche semi-conductrice qui absorbe la lumière solaire et la convertit en électricité.
Pour fabriquer cette cellule ultramince, l'équipe de la NTU a utilisé une méthode de préparation compatible avec l'industrie : le procédé d'évaporation thermique. En termes simples, la matière première est d'abord chauffée dans une chambre à vide jusqu'à évaporation, puis elle se condense et se dépose sur la surface du substrat, formant ainsi un film extrêmement mince.
L'avantage de cette méthode est qu'elle permet de déposer une couche de pérovskite à la fois uniforme et très fine sur de grandes surfaces. De plus, le processus ne nécessite pas l'utilisation de solvants toxiques et réduit les défauts internes de la cellule, ce qui améliore l'efficacité de la conversion photovoltaïque.
En ajustant avec précision les paramètres du procédé, les chercheurs ont réussi à contrôler l'épaisseur de la couche de pérovskite et à fabriquer des dispositifs de cellules opaques ou semi-transparents.
L'équipe indique qu'il s'agit de la première cellule solaire ultramince en pérovskite entièrement fabriquée par un procédé sous vide. Cela signifie que cette technologie a franchi une étape importante vers une future production industrielle à grande échelle.
Grâce à cette technique, les chercheurs ont réussi à réduire l'épaisseur de la couche absorbante en pérovskite à seulement 10 nanomètres, tout en maintenant des performances de production d'électricité notables.
Lorsque l'épaisseur de la couche de pérovskite est respectivement de 10, 30 et 60 nanomètres, l'efficacité de conversion photovoltaïque des cellules opaques atteint environ 7 %, 11 % et 12 %.
Une cellule semi-transparente d'une épaisseur de 60 nanomètres, tout en laissant passer environ 41 % de la lumière visible, a tout de même atteint une efficacité de production de 7,6 %.
L'équipe de recherche affirme que ces performances figurent parmi les meilleures pour ce type de cellules solaires semi-transparentes en pérovskite.
Cela signifie qu'à l'avenir, les fenêtres des bâtiments pourront à la fois maintenir un éclairage naturel et une sensation de transparence, tout en produisant simultanément de l'électricité. C'est une avancée majeure pour les fenêtres solaires, les façades vitrées ou les revêtements de bâtiments teintés.
Le Dr Luke White, premier auteur de l'article et ancien doctorant à l'Institut de recherche énergétique de la NTU, déclare : « En contrôlant précisément le processus d'évaporation thermique, les chercheurs ont pu ajuster librement la transparence des cellules solaires. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour les bâtiments écologiques, comme l'installation de fenêtres teintées qui font à la fois office de pare-soleil et de générateur d'électricité. »
Le professeur Sam Stranks, expert en matériaux énergétiques et en optoélectronique au Département de génie chimique et de biotechnologie de l'Université de Cambridge, commente également en tant que tiers expert : « Cette méthode permet un contrôle très précis de l'épaisseur et de l'uniformité du film mince, ce qui est une condition préalable essentielle pour la commercialisation à grande échelle des futures cellules solaires semi-transparentes. »
« Les cellules en pérovskite semi-transparentes constituent une voie technologique passionnante, car elles nous permettent de collecter de l'énergie là où les panneaux en silicium traditionnels ont du mal à s'imposer, comme sur les fenêtres, les façades ou même les appareils électroniques légers. »
« Les résultats actuels établissent un bon équilibre entre transparence et production d'électricité. Cependant, ce qui déterminera réellement la viabilité de la technologie à l'avenir, ce sera sa performance en termes de stabilité à long terme, de durabilité et de production à grande échelle. »
Alimenter la ville en continu
Le professeur Bruno, qui travaille depuis longtemps dans le domaine du solaire à pérovskite, a vu ses recherches antérieures sur les cellules en pérovskite par évaporation thermique commencer à se diriger vers l'industrialisation. Cela a non seulement stimulé le développement de l'ensemble du secteur, mais a également ouvert la voie à une future mise en œuvre industrielle.
Ses innovations ont également bénéficié du soutien du programme d'innovation et d'entrepreneuriat de la NTU, qui vise à aider les équipes de recherche à accélérer le transfert des technologies de pointe du laboratoire vers l'industrie.
Actuellement, l'équipe a déposé un brevet pour ce nouveau type de film mince de pérovskite ultramince via NTUitive, la société de valorisation des résultats de recherche de l'université.
Les chercheurs sont désormais en contact avec des entreprises pour valider et standardiser le procédé d'évaporation thermique utilisé dans cette étude. Avant de le lancer sur le marché, ils doivent encore améliorer la stabilité à long terme, la durabilité et les performances des cellules lors de la production à grande échelle.
Alors que les villes deviennent de plus en plus denses et que la demande en électricité ne cesse de croître, les bâtiments sont en train d'être redéfinis : ils ne sont plus seulement des consommateurs d'énergie, mais deviennent des producteurs potentiels d'énergie propre.
Aujourd'hui, les panneaux solaires sur les toits sont déjà assez courants, mais les surfaces verticales des bâtiments, comme les fenêtres et les façades entièrement vitrées, constituent encore un vaste océan bleu inexploité.
Cette percée constitue une étape clé vers l'intégration des cellules solaires transparentes dans les secteurs du bâtiment, de l'automobile et des appareils portables. Cela signifie également que les villes du futur pourront produire davantage d'électricité propre sans occuper de terres supplémentaires.
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