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Les perovskites : espoir du solaire photovoltaïque ?

Une nouvelle famille de cellules photovoltaïques fait rêver les chercheurs. Fabriquées à partir de perovskite, un matériau abondant et peu cher, ces cellules sont relativement simples à élaborer. Autre point fort : après quelques années de recherche, elles atteignent presque les rendements de leurs concurrentes constituées de silicium.

« Technologie du futur », « espoir du photovoltaïque », « révolution », « matériau miracle » « nouvel or noir »… Les articles consacrés aux cellules solaires à perovskite rivalisent de titres enthousiastes et de commentaires dithyrambiques… Dans le monde entier, les scientifiques spécialistes du photovoltaïque se passionnent en effet pour le sujet. « Il y a un très fort engouement » témoigne Mireille Richard-Plouet. Chercheure à l’Institut des matériaux de Nantes, elle décrit « des salles pleines et des gens debout pour assister aux conférences des collègues les plus en pointe sur le domaine. »

 

Capable de produire un courant électrique continu quand elle est exposée aux rayons solaires, une cellule photovoltaïque ressemble à un mini « sandwich ». Au cœur de ce dernier, un matériau semi-conducteur qui est le plus souvent aujourd’hui du silicium. Ce dernier absorbe l’énergie  des photons du soleil. « Chaque photon produit alors une paire électron-trou. L’électron ayant la charge négative, le trou la charge positive » rappelle la scientifique. De chaque côté du semi-conducteur, des couches collectrices de charges positives d’un côté, négative de l’autre. L’étude de cette dernière couche collectrice d’électrons, qui peut être constituée de dioxyde de titane, pour les cellules organiques, est au cœur des travaux de Mireille Richard-Plouet.

 

En 2009, un scientifique japonais, le docteur Tsutomu Miyasaka de l’université de Yokohama, a l’idée d’utiliser des perovskites dans une cellule photovoltaïque. «Le terme de perovskite désigne un ensemble de matériaux qui ont une structure cristalline particulière. » Celles qui intéressent actuellement la recherche sont des « organohallogénures de plomb ». Il s’agit de perovskites dits « hybrides » car elles sont constituées à la fois de composés organiques et de composés inorganiques. Faibles au départ (3,8 %), les rendements de conversion de ces cellules à perovskite ne vont alors cesser de s’améliorer. « En 2009, très peu de gens s’intéressaient à ce système. En 2012 un rendement à 10,9% a suscité l’engouement et ce sujet a commencé à exploser. 4 ans après les rendements de cellules de laboratoire de petite dimension (0.0625 à 0.16 cm2) rivalisent avec ceux des cellules inorganiques, explique la spécialiste des matériaux. En mars dernier, des Coréens ont même certifié une cellule qui affiche un rendement de 22% ! » En clair, pour 100 mW/cm2 (milli Watts) d’énergie solaire reçue, cette cellule coréenne produit 22 mW/cm2 d’électricité. 

 

Les progrès de la recherche sont impressionnants. Faibles au départ, les rendements des cellules à perovskite ne cessent de s’améliorer.

 

Les rendements des perovskites sont donc quasiment équivalents à ceux du silicium mais c’est loin d’être leur seul atout. Au premier rang d’entre eux : un coût de fabrication peu élevé. « Le silicium exige de travailler dans des enceintes sous vide avec des procédés lourds et coûteux, précise Mireille Richard-Plouet. Les cellules à perovskite sont mises en œuvre en solution, un procédé relativement simple. On n’a pas besoin de machine sous vide même s’il faut être à l'abri de l'eau et de l'oxygène. Leur fabrication demande par ailleurs des températures inférieures à 180°C. Et pour un chimiste, ce n’est pas grand-chose, c’est quasiment la température ambiante ! » Et de préciser que les cellules solaires nouvelle génération comportent des couches minces, « des couches inférieures au micron, de l’ordre de 500 nanomètres d’épaisseur. On a donc besoin d’assez peu de matériaux. » Ces cellules taille fine pourraient donc facilement être intégrées à des objets de la vie quotidienne : vitrages, tissus, peintures ou revêtements. « Depuis 2014, il a été également montré que ces perovskites pourraient également être utilisées en tant que photodétecteurs pour diverses applications dans le domaine médical ou des télécommunications ».

 

Alors, les perovskites représentent-ils l’avenir du solaire photovoltaïque ? Vont-ils remplacer le silicium ? Ce n’est pas encore gagné. Les chercheurs ont aujourd’hui tout un tas de difficultés à résoudre avant de faire sortir cette technologie des laboratoires à l’échelle du centimètre carré pour passer à une fabrication industrielle. Souci numéro 1 : la durabilité. « La première limite aujourd’hui, c’est la durée de vie. Ces cellules sont en particulier sensibles à l’eau. Il existe un problème de compréhension fine des phénomènes impliqués. » Le second frein au développement des perovskites hybrides tient à l’un de leur élément : le plomb, un matériau toxique « mais vue les quantités utilisées, il faut relativiser » tempère la chercheure. La solution ? Elle sera peut-être mixte. Aujourd’hui, des équipes scientifiques cherchent à associer perovskite et silicium afin de mettre au point des « cellules tandem » utilisant les points forts respectifs des deux matériaux.

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