Une équipe de chercheurs a testé avec succès des modules dans pérovskite dans le but de créer serres autosuffisantes grâce àénergie solaire. La pérovskite, en effet, permet de construire panneaux photovoltaïques semi-transparentstandis que dans le photovoltaïque traditionnel, on utilise des cellules au silicium qui produisent beaucoup d’énergie mais, étant opaques, peuvent pénaliser la croissance des cultures.
Les résultats de cette expérimentation sont prometteurs et ont mis en évidence un croissance plus rapide pour les plants de radicchio: cependant, comme le soulignent les auteurs eux-mêmes, l’étude a été réalisée à petite échelle pendant une durée de 15 jourssans tester les modules de pérovskite semi-transparents de grande surface installés sur des serres opérationnelles. C’est aussi pour cette raison qu’il s’agit d’un « preuve de concept», ce qui indique la nécessité d’études complémentaires avant une application à grande échelle.
Nous avons interviewé le Dr. Carlo Spampinato – chercheur au Conseil National de Recherches, Institut des Microsystèmes et Microélectronique de Catane – auteur principal de l’étude, pour nous raconter comment l’expérience a été réalisée et quels sont les développements futurs possibles.
Dr Spampinato, quelles sont les caractéristiques techniques de la pérovskite et pourquoi ce matériau a-t-il été utilisé ?
L’expérience montre que les modules pérovskites semi-transparents laissent passer une partie contrôlée de la lumière. lumière et surtout, ils modifient le spectre de manière favorable pour le radicchio : moins de bleu et d’UV, plus de rouge et d’infrarouge. Cela conduit, étonnamment, à des semis avec plus de feuilles, des feuilles plus grandes et plus de biomasse, tout en recevant globalement moins de lumière que le verre ordinaire. Le matériau utilisé est une pérovskite totalement inorganique à base de césium, de plomb et d’iode, avec un léger ajout d’iodure d’europium : sous forme compacte, elle peut être indiquée comme CsPbI.3:EuI2.
La couche active sur la « couverture » de la mini-serre a une épaisseur d’environ 130 nm. D’un point de vue optique, dans le visible (400-700 nm) la transmission moyenne est de ~32% : cela signifie donc que environ 32 % de la lumière visible passe à travers, tandis que le reste est absorbé pour produire de l’électricité. Dans le rouge lointain/infrarouge (700 à 1 100 nm), la transmission s’élève à environ 70 à 80 % ; dans la bande UV (360-400 nm), seulement environ 15,8 % de la lumière passe, le reste est protégé.
Différents types de pérovskite ont-ils été testés au cours de l’expérience ?
Oui, nous comparons différents types de pérovskite pour avoir un « bon mélange » entre production d’énergie et semi-transparence: la pérovskite à bande interdite la plus étroite (qui détermine quelles particules énergétiques (photons) de la lumière solaire la cellule solaire peut absorber) – comme FAPbI3 et MAPbI3 – ils absorbent davantage dans le visible, donc ils sont moins transparents. Ceux avec une bande interdite plus large (comme CsPbIBr2) sont plus transparents, mais ont des rendements photovoltaïques records inférieurs.
La composition du CsPbI3 dopé à l’europium (Eu) est au milieu : assez absorbant garantir un bon rendement photovoltaïque dans une configuration semi-transparente, mais suffisamment « ouverte » dans le visible et le proche infrarouge pour laisser passer la lumière utile aux plantes. De plus, étant inorganique, il est plus stable thermiquement que les pérovskites hybrides et l’europium contribue à réduire les défauts et à améliorer la stabilité des phases.
Quelles sont les caractéristiques de cette « serre » expérimentale ?
Dans le travail expérimental, la « serre » est à l’échelle du laboratoire et non à l’échelle commerciale. En pratique, le toit de la micro-serre est constitué de 4 toboggans côte à côtemesurant chacun 2,5 × 2,5 cm² : dans un cas ils ne sont que du verre, dans l’autre ils sont recouverts de la couche de pérovskite, afin que nous puissions avoir une comparaison. Dans chaque boîte il y a 4 plants de radicchiopour un total de 10 cases (5 avec toit en verre, 5 avec toit en pérovskite), répété dans plusieurs cycles expérimentaux. Enfin, au-dessus des toits se trouve une tour de 12 LED qui simule le Soleil, avec un cycle lumière/obscurité de 16h/8h.
Dans cette partie expérimentale il n’y a pas de module photovoltaïque complet (avec contacts, encapsulation, connexion au réseau), mais il y a seulement le film de pérovskite qui filtre la lumière. Pour la production d’énergie, une simulation a été réalisée d’un toit de serre recouvert de véritables modules semi-transparents basés sur le même matériau : l’efficacité photovoltaïque simulée du dispositif est d’environ 12,7 %, la production annuelle estimée est d’environ 220 à 243 kWh par mètre carré de toit, tandis que dans les mêmes 15 jours d’expérience de semis, le toit simulé produirait environ 16 kWh/m².
Il s’agit de la première étude systématique sur l’utilisation de la pérovskite en agrovoltaïque : qu’avez-vous réussi à démontrer ?
Pour la première fois, il est démontré qu’une pérovskite semi-transparente peut simultanément améliorer la croissance initiale du radicchio et, en théorie, rendre la serre énergétiquement autonome. En outre, les travaux montrent que sous un toit de pérovskite semi-transparent, les plants de radicchio, bien qu’ils reçoivent environ la moitié du rayonnement total par rapport au verre, ont développé plus de feuilles (3-4 contre 2) et avec une surface moyenne environ 25 % plus grande, et plus de biomasse fraîche et sèche.
Les simulations énergétiques ont indiqué qu’un véritable toit de serre recouvert de ces modules pourrait couvrir la besoin énergétique annuel d’une serre intensif pour laitue/radicchio (éclairage, climatisation, irrigation).
Quelles ont été les difficultés rencontrées lors de l’expérimentation et quels étaient les problèmes à résoudre ?
L’article met en évidence quelques problèmes critiques, en premier lieu la stabilité : le Les pérovskites sont sensibles à l’humiditéchaleur et lumière. En laboratoire, le toit était maintenu sous un flux d’azote sec, mais dans une véritable serre, des encapsulations très efficaces seraient nécessaires.
Deuxièmement, il y a le fait que la pérovskite contient du plomb: cela nécessite de prêter attention à l’impact environnemental et de développer des stratégies de « capture » du plomb en cas de casse. L’expérience est donc à petite échelle, ne dure que 15 jours et concerne uniquement la phase plantule : il n’existe toujours pas de données sur le rendement final, la qualité commerciale, la teneur en métabolites dans la plante mature. La « vraie » partie photovoltaïque est seulement simulée : les modules pérovskites semi-transparents de grande surface installés sur des serres opérationnelles n’ont pas encore été testés dans ces travaux.
À ce stade, quelles sont les prochaines évolutions compte tenu des résultats prometteurs ?
Dans l’étude, nous avons indiqué plusieurs orientations futures, notamment :
- extension aux systèmes grandeur naturec’est-à-dire de véritables serres aux toits entièrement recouverts de modules pérovskites semi-transparents, exposées aux conditions atmosphériques réelles ;
- des études plus longues sur l’ensemble du cycle de culture, comprendre si l’avantage initial des plants se traduit par un rendement plus élevé ou une meilleure qualité de la récolte ;
- test modules complets de pérovskite semi-transparentsencapsulé, sur les toits de véritables serres, donc sur des surfaces plus importantes ;
- vérifier le comportement des modules même dans des environnements intérieurs à différents niveaux d’éclairage : nous avons déjà montré que, sous des LED blanches de faible intensité, ces dispositifs pouvaient atteindre des rendements de 21 à 22 % et alimenter, par exemple, des capteurs environnementaux pour une surveillance continue.