Les panneaux solaires à l’aube d’une révolution technique ?

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Des chercheurs de l’université de Stanford viennent d’observer pour la première fois la formation et l’évolution des polarons. Derrière cette découverte qui peut sembler anodine pour le grand public, et assez loin de nos préoccupations quotidiennes, se cache peut-être une révolution pour les panneaux solaires de demain.

Pour bien comprendre toute l’importance de cette découverte pour la communauté scientifique, il faut commencer par comprendre de quoi il s’agit. Les polarons sont, dans des termes très scientifiques, des distorsions d’un réseau atomique très rapide, on parle ici d’échelle de temps de l’ordre du trillionième (un millième de milliardième) de seconde. Elles interviennent lorsqu’un électron en mouvement interagit avec la matière atomique qui l’entoure.

Théorisés dans les années 30 par Lev Lanchau, un des plus grands physiciens de l’histoire soviétique, les polarons avaient depuis été au cœur de nombreuses discussions scientifiques sans jamais être observés. La fugacité de l’événement avait rendu leur observation quasi impossible et il a fallu aux chercheurs de Stanford mobiliser un puissant laser à rayons X pour pouvoir apercevoir ces légères distorsions.

Une distorsion 50 fois plus grande que prévu

Face à la complexité de l’expérience, il fallait bien choisir son matériau. En effet pour que la distorsion soit la plus visible possible il fallait que les électrons traversent un champ atomique extrêmement bien rangé. Ainsi le choix s’est porté vers la pérovskite hybride au plomb, derrière ce nom barbare, se trouve un alliage de métaux, très utilisé dans les panneaux solaires et qui a l’avantage d’être cristallisé à l’échelle atomique.

 Lorsque vous frappez le matériau avec de la lumière, comme ce qui se passe dans une cellule solaire, des électrons commencent à se déplacer, explique Burak Guzelturk, à la tête de l’expérience dans un communiqué. À leur contact avec la matière, des polarons viennent « envelopper » l’électron afin que sa traversée au sein du réseau atomique soit la plus fluide possible.

Au cours de l’observation, les scientifiques de l’université américaine ont observé des polarons de la taille de 5 milliardièmes de centimètre. Si cela peut paraître minuscule pour nous, à l’échelle atomique c’est 50 fois plus que les résultats attendus par les chercheurs de Stanford. Dans un métal cristallisé comme la pérovskite, une telle distorsion pousse une dizaine de couches d’atomes vers l’extérieur (comme le montre l’animation ci-dessous). Cette observation aura duré près de 0,01 milliardième de seconde.

Créer les panneaux solaires de demain

Aujourd’hui dans un panneau photovoltaïque classique, la pérovskite hybride de plomb est très souvent utilisée. Bon marché, il est un excellent créateur d’électricité une fois frappé par les rayons du soleil. C’est un des matériaux avec le meilleur taux de rendement (autour de 22 %), battu seulement par le silicium (25 %).

Avec cette première observation de polarons, tout l’enjeu est maintenant de comprendre comment ces derniers se forment, et quel est leur rôle dans les cellules solaires. Depuis une décennie, la pérovskite était utilisée dans les panneaux solaires sans que le fonctionnement de ce dernier soit vraiment compris.

D’année en année, son taux de rendement était amélioré et les polarons pourraient totalement en être une des raisons. Maintenant connus, ils vont être étudiés avec précaution, pour améliorer encore le taux de rendement de la pérovskite. L’idée est de produire des panneaux solaires les plus rentables possibles afin de décupler leur puissance. Aujourd’hui avec un taux de 22 %, une installation de 10mc2 de panneaux solaires produira entre 2,5 et 4 kWh par jour. On peut imaginer que ce chiffre pourrait doubler ou tripler dans les années à venir et combler beaucoup plus de besoins qu’actuellement.

En 2019 en France, le solaire représentait 2,2 % de la production électrique du pays avec près de 11 300 GWh au cours de l’année. C’est moins que l’éolien (6,3 %), ou le gaz (7,2 %).

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