La pérovskite est l’avenir des cellules solaires

Des panneaux bleu foncé sur des toits de tuiles rouges – c’est le résultat obtenu lorsque l’on recherche des images sur le thème « énergie solaire » sur Internet. En effet, les fameuses cellules solaires bleues en silicium sont la technologie photovoltaïque la plus répandue. Pourtant ce n’est plus la seule. Une nouvelle technologie est dans les starting blocks : les cellules solaires à pérovskites. Ce terme générique désigne de nouveaux matériaux dont la structure cristalline est semblable à celle du matériau naturel nommé pérovskite.

Les cellules solaires à pérovskites ont connu un développement éclair. Au cours de la dernière décennie, leur rendement a littéralement explosé, passant d’à peine 3 % à plus de 20 %. Les pérovskites ont des propriétés remarquables : ils absorbent la lumière de façon particulièrement efficace et évacuent bien le courant produit. De plus, ils sont à la fois bon marché et simples à fabriquer et à transformer. Les cellules solaires à base de pérovskites ont cependant aussi un inconvénient non négligeable : elles ne fonctionnent pas encore de façon suffisamment constante et ne sont pas assez durables pour une utilisation à grande échelle. Des chercheuses et chercheurs de l’EPF de Lausanne et de l’Université de Fribourg travaillent à améliorer la stabilité et le rendement de cette technologie prometteuse.

Dopage des cellules solaires

À cet effet, il est fréquent d’avoir recours au dopage, un moyen parfaitement légitime d’accroître les performances. Ce procédé consiste à enrichir des matériaux semi-conducteurs avec de petites quantités d’un élément étranger. Les progrès sur cette voie sont surprenants. En dopant au lithium une électrode en oxyde de titane, l’équipe de recherche est par exemple parvenue à augmenter les performances d’une cellule solaire à pérovskites de plus de deux points de pourcentage à plus de 19 %.

En utilisant du néodyme au lieu du lithium pour le dopage, le rendement atteint – un peu plus de 18 % – n’était pas si exceptionnel. Par contre – fait tout aussi important – la cellule solaire a fonctionné beaucoup plus longtemps avec une performance élevée. Les chercheuses et chercheurs ont découvert que les atomes de néodyme agissaient comme un mastic comblant les fissures et les fêlures du réseau cristallin. Ceci permet de désamorcer les pièges à électrons, qui perturbent le déplacement des porteurs de charge et ont un impact négatif sur les performances d’une cellule solaire. Ceux-ci se forment entre autres sous l’effet du rayonnement ultraviolet, qui attaque l’oxyde de titane.

Dans le cadre d’une autre étude, l’équipe de recherche a remplacé l’oxyde de titane sensible aux UV par un autre composé : de l’oxyde de zinc. Ce dernier est moins sensible aux UV mais affichait jusqu’à présent un rendement électrique décevant. Là aussi, la solution était le « dopage », cette fois avec du gallium. Le résultat convainc avec un bon rendement de l’ordre de 16,5 % et surtout une excellente résistance au rayonnement UV.

Stabilité grâce à une molécule « papillon »

Le dopage n’est cependant pas toujours la solution aux défis de la technologie pérovskite. Ainsi une autre solution développée par l’EPFL se passe totalement de dopage. Il s’agit dans ce cas d’un composé organique dont la forme complexe des molécules évoque un papillon (image 1). La mission d’apparence quelque peu ésotérique de ce matériau consiste à « transporter des trous ». Les « trous » désignent des charges positives qui apparaissent lorsque des électrons sont éjectés de leur environnement par absorption de lumière. Les molécules « papillon » organiques permettent d’atteindre des rendements semblables aux matériaux traditionnels, mais sont nettement plus stables.

Dans les cas évoqués jusqu’à présent, les chercheuses et les chercheurs ont axé leurs efforts sur l’amélioration des électrodes et des autres couches de transport du courant. Ce sont cependant les développements qu’ils ont apportés au cœur de la cellule solaire – c'est-à-dire aux pérovskites qui absorbent la lumière – qui comptent parmi leurs plus grands succès. En effet, ils ont découvert que l’adjonction d’une petite quantité de césium aux composants organiques de la pérovskite permettait d’obtenir des cristaux beaucoup plus purs – et un rendement record de 21,1 %

Le mélange avec du césium est par ailleurs plus tolérant vis-à-vis des petites imprécisions du processus de fabrication. La fabrication de cellules solaires à pérovskites affichant des rendements supérieurs à 20 % devient ainsi une routine – une rupture en matière de reproductibilité et une avancée considérable en vue d’une industrialisation de cette nouvelle technologie.

Sur la voie de l’industrialisation

Une autre étape clé sur la voie de la commercialisation est le passage de l’échelle du laboratoire à la fabrication de modules solaires de grandes dimensions. Les circuits électriques de ces modules sont réalisés de façon industrielle à l’aide de lasers, qui gravent des séparations isolantes ou des canaux pour les pistes dans les matériaux. La possibilité d’utiliser ce procédé industriel pour les pérovskites était longtemps incertaine. Avec le premier module solaire à pérovskites fabriqué au laser, les chercheuses et chercheurs de l’EPFL ont fourni la preuve de sa faisabilité.

Chaque innovation permet de se rapprocher un peu plus de l’objectif de produire des cellules solaires à pérovskites rentables et hautement efficaces. Ces nouvelles cellules favoriseront la transition énergétique non seulement sur le plan technique mais aussi du point de vue esthétique. En effet, les matériaux et procédés mis au point offrent des alternatives très discrètes aux cellules solaires bleues standard. Selon Michael Grätzel de l’EPFL, les chances d’introduction rapide des cellules solaires à pérovskites sont bonnes. Notamment parce que les nouvelles solutions élaborées peuvent être intégrées aux chaînes de production industrielles existantes. Cela devrait permettre aux entreprises et aux groupes de recherche suisses de conserver leur avance dans un environnement international extrêmement concurrentiel, assure Michael Grätzel.