Matériaux

Les pérovskites, des matériaux aux mille promesses

Moins de dix ans après la mise au point d’une première cellule solaire à pérovskite, ce matériau doué pour produire de l’électricité, mais aussi de la lumière, fait l’objet d’un numéro spécial de la revue «Science»

En dépit des progrès spectaculaires des panneaux solaires depuis deux décennies, la transition énergétique attend encore son matériau idéal. Un composant qui combinerait l’efficacité du silicium – jusqu’à 25% de la lumière est transformée en électricité – et le coût dérisoire des cellules solaires en plastique. Ce matériau idéal porte déjà un nom, la pérovskite, hommage au minéralogiste russe Lev Perovski. Il porte aussi d’immenses espoirs pour la fabrication d’ampoules LED et d’écrans plats, souples de surcroît. Reste à démontrer qu’il tiendra ses promesses.

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En 1991, le groupe de Michael Grätzel, à l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), a présenté une cellule solaire utilisant un pigment sensible à la lumière pour produire du courant électrique, avec un rendement prometteur de 7%.

En 2009, le groupe japonais de Tsutomu Miyasaka a remplacé le colorant par une pérovskite, un cristal de synthèse qui mime la structure du titanate de calcium. Une pérovskite associant une molécule organique, du plomb et de l’iode et insérée dans une cellule à colorant. Le rendement est décevant, moins de 4%, et la stabilité très réduite, si bien que l’accueil est plutôt tiède. Pourtant, c’est le point de départ d’une véritable fièvre, à laquelle la revue Science rend hommage ce vendredi.

Plus qu’un pigment

En 2012, à Oxford, des Britanniques découvrent que la pérovskite n’est pas seulement un pigment, elle peut être le cœur même d’une cellule. Ils présentent un prototype qui affiche un rendement de 10,9%. «Les pérovskites représentent désormais des milliers de publications scientifiques chaque année», constate Jacky Even, de l’Institut national des sciences appliquées de Rennes.

Si les premières cellules ne fonctionnaient encore que quelques heures il y a trois ans, les prototypes sont désormais stables pendant plus de mille heures. Et les rendements s’envolent, avec un record de 22,7% qui vient d’être certifié, fin octobre, par le Laboratoire national américain des énergies renouvelables (NREL), l’organisme qui fait référence en matière de cellules solaires. C’est à peine moins que le silicium et ce après seulement quelques années de recherches! Est-on pour autant proche d’une industrialisation? Rien n’est moins sûr.

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«Il faudra faire dix fois mieux en termes de durée de fonctionnement sans perdre en rendement», prévient Jacky Even. Et ce ne sera pas facile tant les pérovskites sont fragiles. «Ces cellules solaires sont notamment sensibles à la chaleur, à l’humidité, à l’oxygène et au rayonnement ultraviolet. Elles sont aussi sujettes à des phénomènes électrochimiques intrinsèques, liés à leur nature», explique Juan-Pablo Correa-Baena, coauteur d’un article de perspective sur le solaire à pérovskite dans le numéro spécial de Science, aujourd’hui basé au MIT (Boston) après un post-doctorat effectué à l’EPFL. Certains effets sont réversibles au bout de quelques heures d’obscurité, d’autres pas.

Sandwich anti-UV

Pour progresser, les chercheurs suivent plusieurs voies. «Par exemple en déposant, sur la surface exposée à la lumière, un film polymère doté d’un filtre anti-UV.» L’autre face des pérovskites est elle aussi recouverte d’un polymère pour former un sandwich qui protège la pérovskite des UV, de l’humidité et de l’oxygène. 

D’autres groupes, comme celui de Jacky Even associé à des laboratoires américains, progressent en empilant des couches de pérovskites. «Nous avons présenté l’an dernier une cellule qui reste stable pendant 2250 heures, avec un rendement de 12,5%, trois fois plus que les tentatives précédentes avec cette méthode», explique ce dernier.

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La résistance à long terme est moins cruciale pour une autre application prometteuse des pérovskites: on peut en faire des sources de lumière, des LED pour l’éclairage et les écrans. «Nul besoin d’une durée de vie de vingt ans pour un portable», souligne Maksym Kovalenko, de l’Ecole polytechnique fédérale de Zurich, coauteur d’un article sur le sujet dans Science. Les pérovskites semblent surpasser, en pureté de couleurs, toutes les sources actuelles, notamment pour le vert, la couleur la plus difficile à fabriquer.

«On pourrait bien voir sur le marché d’ici cinq ans des écrans à cristaux liquides (LCD) qui associent des technologies classiques pour le bleu et le rouge et des pérovskites pour le vert. Ce serait une première étape en attendant des écrans 100% pérovskites.»

Un avis partagé par Juan-Pablo Correa-Baena. De même, si personne ne se risque à pronostiquer une date de mise sur le marché des premières cellules solaires à pérovskites, il est probable que ce sera d’abord dans des applications où la question de la stabilité est moins cruciale, comme dans les téléphones mobiles.

Entrave surmontable

Reste un épineux problème. Toutes les recettes de pérovskites contiennent du plomb, un matériau toxique; les tentatives de remplacer ce dernier par un métal moins problématique, l’étain, sont pour le moment infructueuses.

«Les quantités de plomb mises en jeu sont très, très faibles, il s’agit de moins d’un gramme par mètre carré, insiste Jacky Even. Et la nécessaire protection contre l’humidité conduit à enfermer les pérovskites dans des sandwichs très étanches.»

Pour Juan-Pablo Correa-Baena, l’usage du plomb n’est pas insurmontable. «Il faudra mettre en place une filière de recyclage, à l’image de celle que propose First Solar, un des géants du solaire aujourd’hui, pour récupérer le cadmium de ses panneaux.»

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