Vue d’ensemble de la production d’énergie solaire
D’une manière générale, la production d’énergie solaire se produit lorsque l’électricité est produite par le soleil qui brille sur un matériau spécifique. Dans un peu plus de détails, les matériaux semi-conducteurs sont utilisés dans les panneaux solaires. Lorsque le rayonnement solaire frappe ces panneaux, les photons sont absorbés par le matériau semi-conducteur, ce qui fait monter les électrons à un état d’énergie plus élevée. L’électron peut se détendre et revenir à son état d’énergie d’origine (avec la perte de chaleur associée), ou il peut voyager à travers la cellule solaire jusqu’à une électrode, où un courant est généré. L’efficacité des cellules solaires repose sur plusieurs aspects, notamment :
- Les matériaux qui les composent ont des bandes interdites appropriées (c’est-à-dire faibles), ce qui signifie que moins d’énergie est nécessaire pour «exciter» un électron
- Un accepteur d’électrons très efficace, un exemple typique est le dioxyde de titane
- Des matériaux de transport de trous robustes et productifs, qui sont responsables du mouvement des électrons vers l’électrode et de la séparation et de l’inhibition de la charge - c’est le rôle dans lequel la pyrite agit généralement
- Le dépôt/production de films étant un processus efficace avec le moins de défauts possible
Le semi-conducteur le plus couramment utilisé dans les panneaux solaires est le silicium, mais le silicium de haute pureté est coûteux à produire, en particulier à l’échelle nécessaire pour produire un panneau solaire, étant donné que les couches de silicium doivent être relativement épaisses. La pyrite est un matériau qui a connu des succès croissants dans les essais de recherche dans le domaine de la production solaire. Peu coûteux, largement disponible et naturellement très pur tout droit sorti du sol, des propriétés intéressantes de type semi-conducteur ont été observées.
Pyrite dans les cellules solaires
La plupart des constructions de cellules solaires les plus performantes sont lorsque la pyrite est utilisée aux côtés d’autres semi-conducteurs. L’utilisation de la pyrite peut améliorer les propriétés de production électrique du panneau, ou elle peut réduire le coût de fabrication, ou souvent les deux. Malgré cela, la pyrite s’est avérée efficace en tant que cellule photoélectrochimique à part entière. La première recherche a été publiée dans la région en 1984 (3), mais la cellule solaire en pyrite n’avait qu’une efficacité de ca. 2.8%.
Dispositifs monocristallos
L’utilisation de la pyrite seule pour la production d’une cellule solaire est limitée dans sa portée. Les niveaux d’efficacité les plus élevés trouvés par les chercheurs pour la pyrite solitaire sont de 2% (4). Bien que la pyrite puisse être déposée dans un film 1 000 fois plus mince qu’un film de silicium tout en absorbant la lumière du soleil, la recherche a montré qu’à l’échelle nanométrique, de petits défauts de surface peuvent se produire lors du dépôt de la pyrite, certains atomes de soufre étant «manquants»(5).
La performance des cellules solaires composées de pyrite fait l’objet de recherches en cours. Des études suggèrent que le principal facteur limitant est la «vacance du soufre», où il manque des atomes de soufre dans la structure cristalline des films produits pour la fabrication de cellules(6). Ceci est considéré comme moins problématique lorsque la pyrite n’est pas utilisée seule.
Cellules solaires à pérovskite
Une cellule solaire à pérovskite est une cellule où le principal absorbeur de lumière est un matériau avec une couche structurée en pérovskite, comme les halogénures d’étain. Dans les cellules solaires de type pérovskite, des feuilles de pyrite ont été utilisées comme matériaux de transport de trous. La pyrite est particulièrement habile à cette fonction, certaines recherches rapportant des rendements de conversion de puissance de 11,2% où la pérovskite est le semi-conducteur intrinsèque, le dioxyde de titane est l’accepteur d’électrons et la pyrite le transporteur de trous(7). Le même rapport affirmait que par mètre carré, le film de pyrite est 300 fois moins cher à produire que d’autres matériaux de transport de trous tels que le polymère poly-triarylamine. En outre, les matériaux conventionnels de transport de trous nécessitent un dopage chimique pour assurer des niveaux de conductivité suffisants et des potentiels ioniques optimaux(8) - le dopage n’est pas nécessaire pour la pyrite.
La recherche a montré la stabilité à long terme de la pyrite en tant que matériau de transport de trous, une étude montrant une efficacité initiale de conversion de puissance pour les cellules pyrite/pérovskite de 12,8%, ne diminuant que de 8% après 1 000 heures dans des conditions de laboratoire(9). Les nanoparticules de pyrite à ces fins peuvent être obtenues à partir du traitement hydrothermal assisté par micro-ondes de la pyrite de haute pureté(10).
Sous-ensemble de cellules de pérovskite, les cellules d’hétérojonction utilisent souvent des composés de cadmium. Le sulfure de cadmium est un semi-conducteur très performant et peut être intégré dans une cellule solaire sous forme de film aux côtés de la pyrite(11), bien qu’une telle technologie en soit encore aux premiers stades de développement. La pyrite est utilisée dans ce sens comme couche absorbant le soleil dans la cellule d’hétérojonction - en s’appuyant sur l’absorption optique supérieure de la pyrite et ses propriétés photoseptantes. Sous lumière du jour simulée, 94 mV d’électricité ont été générés à une densité de courant de 0,4 mA / cm2 - bien que de faibles nombres, il est clair du potentiel de la pyrite en tant qu’absorbeur solaire(12), même avec des films aussi minces que 100 nm. Des données similaires ont été observées pour les cellules d’hétérojonction tellurure de cadmium-pyrite de fer(13), toujours avec la pyrite de fer comme transporteur de trous.
Des rendements solaires de 13,3% ont été rapportés lorsque la pyrite (en tant que milieu de transport de trous) a été déposée sous forme de film mince aux côtés de sulfure de cadmium / tellurure de cadmium dans une cellule de pérovskite(14), ici, des films de pyrite sont utilisés à une épaisseur de 1 μm afin d’éviter tout problème lié à la porosité du film. L’une des nombreuses raisons, a-t-il été rapporté, pour lesquelles les films de pyrite minces se comportent si bien comme un milieu de transport de trous est qu’ils ont une densité de trou libre élevée et une fonction de travail relativement profonde autour de 5 eV (15).
Cellules solaires sensibilisées aux colorants (DSSC)
Les DSSC sont une autre classe de cellules solaires dont il a été démontré qu’elles bénéficiaient de l’inclusion de pyrite de fer dans leur fabrication. Les DSSC sont des cellules solaires où un semi-conducteur est pris en sandwich entre une anode photosensibilisé et un électrolyte(16). De telles cellules à couche mince sont en développement depuis le début des années 1990. Aux fins de ce travail, l’identité du «colorant» est largement dénuée de pertinence. L’une des raisons du coût élevé de ces cellules est les électrodes de platine qui sont utilisées. Des recherches récentes remplacent le platine par la pyrite et non seulement réduisent les coûts de fabrication, mais affichent des rendements de conversion de 7,27 % sous une lampe de 100 mW/cm2(17). L’efficacité quantique élevée de la pyrite(18) et sa stabilité à long terme dans l’électrolyte liquide d’iodure corrosif d’un DSSC(19) sont considérées comme des facteurs contributifs précieux. Ces travaux s’appuient sur l’utilisation de cellules redox hybrides iode/cobalt avec un film de pyrite de fer comme contre-électrode(20).
Une sous-classe de DSSC est où la pyrite est sous forme de nanoparticules et est recouverte d’une fine couche de carbone avant d’être transformée en un film, qui agit comme la contre-électrode avec un électrolyte redox, un matériau comme le dioxyde de titane comme accepteur d’électrons primaire, et le tout assemblé sur un substrat tel que l’oxyde d’étain fluoré. De telles structures utilisent la pyrite d’une manière différente des formes en feuille, comme on le voit dans d’autres types de cellules, c’est-à-dire recouvertes de carbone, mais les données d’efficacité rapportées sont aussi bonnes que si la contre-électrode était le platine conventionnel(21). L’un des avantages des DSSC est leur production sur rouleau - un collecteur auquel les feuilles de pyrite s’adaptent bien - ce qui signifie que la cellule solaire produite est incroyablement mince et flexible.
Vous devez être connecté pour poster un commentaire.