énergie solaire

La pérovskite révolutionne le solaire

A Lausanne, un laboratoire a développé une nouvelle catégorie de cellules photovoltaïques à base de pérovskite, un matériau à bas coût. Les chercheurs les ont associé à un système d’électrolyse de l’eau permettant de convertir efficacement l’énergie solaire en hydrogène

La pérovskite révolutionne le solaire

Energie Ce cristal confère un haut rendement aux cellules photovoltaïques

Une nouvelle piste pour capter l’énergie du soleil commele font les plantes

Pérovskite. Retenez bien ce mot. Il résume l’une des plus incroyables compétitions du moment dans le monde scientifique, une véritable quête du Graal: la production, grâce à ce matériau abondant, d’une électricité solaire si peu chère qu’elle pourrait rivaliser, enfin, avec les autres sources d’énergie. Un groupe conduit par Michael Grätzel, à l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, associé à l’Université Nanyang de Singapour et l’Université coréenne de Sungkyunkwan, confirme aujourd’hui son avance dans le domaine, avec de nouveaux travaux publiés dans Science . Ils décrivent un système à haute performance qui produit de l’hydrogène à partir d’eau et d’énergie solaire. Autrement dit, un outil qui permettrait de mettre le soleil en bouteille pour les jours de grisaille!

La pérovskite, c’est un cristal d’aspect métallique, de couleur noire ou brun-rouge. Il a été ainsi baptisé pour rendre hommage au minéralogiste russe Lev Perovski. Sur le plan chimique, le premier composé montrant la structure d’une pérovskite associait du calcium, du titane, et de l’oxygène. Pendant longtemps, la pérovskite était surtout utilisée pour fabriquer certains composants électroniques, et plus récemment pour produire des matériaux sans résistance électrique (supraconducteurs). Il y a cinq ans, ce matériau est soudainement apparu comme candidat crédible au remplacement des très coûteuses cellules solaires en silicium, grâce aux travaux de l’équipe du Japonais Tsutomu Miyasaka, à l’Université de Tokyo. Celui-ci a présenté en 2009 les premières cellules solaires utilisant un composé hybride à base de pérovskite. Une évolution de la cellule à colorant, inventée en 1991 par Michael Grätzel. Mais ces premières cellules de Tsutomu Miyasaka ne transformaient que 3,8% de la lumière en électricité, contre 20% pour les cellules en silicium polycristallin, et 25% pour celles en silicium monocristallin.

Depuis, les progrès ont été très impressionnants, «en grande partie grâce aux travaux de Michael Grätzel publiés en 2012 et 2013», souligne le Français Jacky Even, physicien théoricien à l’Institut national des sciences appliquées de Rennes, qui se penche sur les propriétés de la pérovskite hybride depuis 2010. Début septembre, dans un article de prospective écrit pour Nature Materials , Michael Grätzel rappelait que le record, pour des cellules solaires en pérovskite était de 17,9%, par une équipe coréenne. Moins de deux semaines plus tard, un groupe américain a annoncé, lors d’un colloque, avoir franchi la barre des 19%. «Ce qui se passe dans ce domaine est incroyable, commente Jacky Even. Après cinq ans seulement, ce matériau à très bas coût peut déjà rivaliser, en laboratoire, avec le silicium polycristallin.»

Les pérovskites ont tant progressé que Michael Grätzel et ses collègues ont jugé qu’il était temps de frapper un grand coup. Six mois après avoir montré que leurs cellules ont des aptitudes à émettre de la lumière laser, ils présentent dans Science un système capable de produire de l’hydrogène à partir d’eau et d’énergie solaire: l’électricité produite par la cellule à pérovskite dissocie les molécules d’eau, par électrolyse, pour libérer de l’oxygène et de l’hydrogène.

Cette idée de réaliser un «feuillage artificiel» n’est pas nouvelle. Ce terme rappelle qu’il s’agit de mimer la photosynthèse des plantes, qui transforment la lumière en énergie chimique. Mais les performances de ce premier prototype laissent rêveur: pas moins de 12,3% de l’énergie lumineuse est stockée sous forme d’hydrogène. C’est douze fois plus que les plantes, et très encourageant pour l’avenir. «Il reste beaucoup à faire pour fiabiliser leur système, et lutter contre son vieillissement prématuré. Mais c’est un très joli résultat, commente Jacky Even. Notamment parce que mes collègues sont parvenus à associer deux cellules solaires pour produire une tension suffisante pour casser les molécules d’eau. C’est une réussite extraordinaire!» Le physicien français s’avoue même frustré de ne pas avoir pu l’évoquer lors d’une conférence sur les pérovskites qu’il a donnée mercredi à Strasbourg, deux jours avant que Science ne la rende publique.

Cette première feuille artificielle du groupe de Lausanne repose sur ses cellules à pérovskite à haut rendement (17,3%). Pour faire passer leur courant dans l’eau, Michael Grätzel s’est tourné vers un matériau inédit, à base de nickel et de fer, mis au point par le Singapourien Jingshan Luo, sa dernière recrue. «C’est un matériau bien moins cher que le platine qu’on utilise généralement pour favoriser la dissociation de l’eau en gaz, explique Michael Grätzel. De plus, ce catalyseur offre des performances sensiblement équivalentes. Mais qu’on ne se méprenne pas, c’est encore un résultat très fondamental.»

En effet, les cellules à pérovskite, comme le catalyseur, ont encore une piètre durée de vie. Dans cette expérience, le dispositif a montré des signes de faiblesse au bout d’une dizaine d’heures seulement. «Cela fait encore porter une ombre sur l’avenir des cellules à pérovskite», reconnaît Michael Grätzel. «On sait assez peu de chose sur les raisons de cette dégradation. Mes collègues n’ont pas eu le temps de les encapsuler pour ralentir le phénomène», estime Jacky Even. Un empressement qui s’explique par la féroce concurrence scientifique, doublée d’une compétition acharnée entre les prestigieuses revues Science , propriété de l’Association américaine pour l’avancement des sciences, et Nature , une revue britannique à but lucratif: Science n’aura mis que deux mois à publier ces travaux, quand le délai dépasse parfois un an!

Une autre ombre plane encore sur l’avenir solaire de la pérov­skite, car les meilleures performances sont obtenues en l’associant avec du plomb, un matériau toxique. «Il faut relativiser cette question, avertit Jacky Even. Il y a 8 kg de plomb dans une batterie de voiture, et seulement 0,21 gramme dans un mètre carré de cellules solaires à pérovskites.» Le plomb peut d’ores et déjà être remplacé par de l’étain, au prix d’un rendement nettement inférieur. «Mais si les normes sur le plomb sont encore durcies, ce qui est probable, il faudra en passer par là», prévient Michael Grätzel.

La pérovskite pourrait faire irruption sur le marché dans une dizaine d’années et diviser par deux le prix des cellules utilisées dans les panneaux solaires. En attendant, le groupe de Lausanne et ses collègues asiatiques se sont attelés à un autre challenge: coupler une cellule en silicium à une autre en pérovskite. «Ce sera très, très difficile à réaliser. Mais le jeu en vaut la chandelle», souligne Jacky Even. Car ces deux matériaux captent chacun des couleurs différentes de la lumière solaire, et sont donc complémentaires. «Ce tandem pourrait offrir des rendements proches de 30%.»

Après cinq ans,

ce matériau à très bas coût peut déjà rivaliser, en laboratoire, avec le silicium polycristallin

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