Le silicium reste aujourd’hui encore le matériau le plus utilisé pour la fabrication de cellules photovoltaïques. Pourtant, d’autres matériaux pourraient bien lui voler la vedette. C’est le cas des pérovskites semi-conductrices. Mais elles ont aussi des défauts. Que des chercheurs viennent peut-être de réussir à contourner grâce à des pérovskites en deux dimensions qui résistent aux attaques du temps tout en présentant une grande efficacité.

Les pérovskitespérovskites. Voilà presque dix ans maintenant que l'on attend qu'ils révolutionnent le marché du photovoltaïque. Le terme, rappelons-le, désigne des composés métalliques qui présentent une structure cristalline semblable à celle... de la pérovskite, un minéralminéral (CaTiO3) à base de calciumcalcium, de titanetitane et d'oxygène. Et c'est en 2012 que les chercheurs se sont aperçus qu'en tant que collecteurs de lumière particulièrement efficaces, les pérovskites pourraient grandement améliorer le rendement des cellules solaires.

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« En 10 ans, l'efficacité des pérovskites est passée d'environ 3 à plus de 25 %, raconte Aditya Mohite, le responsable d'un laboratoire de l'université Rice (États-Unis), dans un communiqué. D'autres semi-conducteurssemi-conducteurs ont mis environ 60 ans pour en arriver là. C'est pourquoi nous sommes si excités. »

L'ennui est que les pérovskites se montrent particulièrement sensibles à l'humidité et... à la lumière du soleilsoleil. Un comble ! « Une technologie solaire se doit de rester stable pendant 20 à 25 ans au moins. Ce n'est pas le cas des cellules incluant des pérovskites », explique Aditya Mohite. Du moins, ce n'est pas le cas des pérovskites en 3D. Mais la donne change lorsque l'on passe à deux dimensions. Comprenez à un matériaumatériau d'une épaisseur atomique. « La stabilité des pérovskites 2D est énorme [grâce à des constituants organiques qui font barrière à l'humidité et qui sont thermiquement très stables, ndlr]. Mais ils ne sont intrinsèquement pas suffisamment efficaces pour être posés sur un toittoit. »

C’est par centrifugation que les chercheurs de l’université Rice (États-Unis) enduisent leur substrat avec un composé qui se solidifie en une pérovskite 2D. Un matériau prometteur pour la fabrication de cellules solaires efficaces et robustes. © Jeff Fitlow, Université Rice
C’est par centrifugation que les chercheurs de l’université Rice (États-Unis) enduisent leur substrat avec un composé qui se solidifie en une pérovskite 2D. Un matériau prometteur pour la fabrication de cellules solaires efficaces et robustes. © Jeff Fitlow, Université Rice

Des cellules stables et efficaces

C'est pour résoudre ce dernier problème que les chercheurs ont étudié de plus près encore les pérovskites 2D. Ils viennent de découvrir que certaines d'entre elles réagissent de manière étonnante à une exposition au soleil. L'espace entre leurs atomesatomes à tendance à rétrécir. Ainsi, les différentes couches qui composent le matériau final se rapprochent d'environ 1 % après seulement une minute d'exposition à une intensité équivalente à cinq soleils.

« Cela semble peu, mais cela suffit à améliorer grandement le flux des électronsélectrons. La conduction du matériau est multipliée par trois », précise Wenbin Li, physicienphysicien. Surtout si les interactions entre les couches sont encouragées par l'ajout d'une couche de cationscations organiques entre l'iodure et le plomb. L'efficacité photovoltaïque des cellules solaires à pérovskites bidimensionnelles peut ainsi être augmentée jusqu'à 18,3 %.

Ici, une cellule solaire à pérovskite 2D prête à être testée dans un simulateur solaire. © Jeff Fitlow, Université Rice
Ici, une cellule solaire à pérovskite 2D prête à être testée dans un simulateur solaire. © Jeff Fitlow, Université Rice

Pour comprendre le phénomène, les chercheurs ont compté sur les faisceaux de rayons X ultra-lumineux de l'Advanced Photon Source (États-Unis), l'un des plus grands synchrotrons au monde. De quoi capturer les changements structurels du matériau en temps réel. Et comme l'instrument va bientôt encore gagner en luminositéluminosité, les physiciens espèrent améliorer la sensibilité de leurs observations. Cela pourrait leur permettre de mettre au point des matériaux encore plus efficaces. « Nous pourrions atteindre au final des rendements approchant les 30 % qui rendraient les pérovskites attrayantes pour la commercialisation », conclut Siraj Sidhik, chercheur dans le laboratoire d'Aditya Mohite.