Comment les cellules solaires en pérovskite fonctionnent – et pourquoi elles sont importantes

Un cristal qui pourrait remodeler l'énergie solaire

Le silicium domine l'énergie solaire depuis des décennies, mais une famille de matériaux cristallins appelés pérovskites progresse plus rapidement que toute autre technologie photovoltaïque dans l'histoire. En à peine 15 ans, les cellules solaires en pérovskite sont passées d'une curiosité de laboratoire avec un rendement de 3,8 % à des dispositifs dépassant 27 % – un jalon que le silicium a mis plus d'un demi-siècle à atteindre. La question n'est plus de savoir si les pérovskites peuvent égaler les performances du silicium, mais si elles peuvent durer assez longtemps pour le remplacer.

Qu'est-ce qu'une pérovskite ?

La pérovskite n'est pas un matériau unique, mais une vaste famille de composés partageant une structure cristalline spécifique connue sous le nom d'ABX₃, où A et B sont des ions chargés positivement (cations) et X est un ion chargé négativement (anion). Le nom vient du minéral titanate de calcium, découvert pour la première fois dans les monts Oural en 1839 et nommé d'après le minéralogiste russe Lev Perovski.

Dans les cellules solaires, les pérovskites les plus courantes sont les pérovskites halogénures métalliques – combinant généralement des molécules organiques, du plomb et des halogénures comme l'iode ou le brome. Ce qui les rend remarquables, c'est leur accordabilité. Comme l'a décrit le chercheur du MIT Tonio Buonassisi, les pérovskites sont "un type de structure cristalline où l'on construit sa propre aventure" – les scientifiques peuvent échanger des composants pour affiner la façon dont le matériau absorbe la lumière.

Comment elles convertissent la lumière en électricité

Une cellule solaire en pérovskite fonctionne en trois étapes de base. Premièrement, la lumière du soleil frappe une fine couche de pérovskite – souvent de quelques centaines de nanomètres d'épaisseur – et ses photons excitent les électrons, les libérant de leurs liaisons atomiques. Deuxièmement, ces électrons libérés circulent vers une électrode tandis que les « trous » chargés positivement qu'ils laissent derrière eux migrent vers l'électrode opposée. Troisièmement, cette séparation de charge génère un courant électrique qui peut être capturé comme énergie utilisable.

Le processus est similaire au fonctionnement des cellules en silicium, mais les pérovskites présentent plusieurs avantages structurels. Leur réseau cristallin est remarquablement tolérant aux défauts – contrairement au silicium, qui exige une pureté extrême, les pérovskites fonctionnent bien même avec des imperfections. Elles absorbent également efficacement la lumière sur un large spectre, et leurs propriétés d'absorption peuvent être conçues en ajustant la recette chimique.

Pourquoi l'industrie est enthousiaste

Trois avantages rendent les pérovskites attrayantes. Premièrement, le coût : les couches de pérovskite peuvent être déposées à partir d'encres liquides à basse température, ce qui pourrait permettre une fabrication de type presse à imprimer beaucoup moins chère que la production énergivore du silicium. Deuxièmement, la polyvalence : le matériau peut être appliqué sur des surfaces flexibles, légères et même transparentes, ouvrant des possibilités telles que les fenêtres solaires et les panneaux portables. Des produits de consommation comme le parasol de plage à énergie solaire d'Anker utilisent déjà des cellules en pérovskite.

Troisièmement, et c'est le plus important, l'architecture tandem. En superposant une cellule en pérovskite sur une cellule en silicium conventionnelle, chaque couche capture différentes longueurs d'onde de la lumière. Ces dispositifs tandem ont déjà atteint un rendement de 34,6 % en laboratoire – établi par la société chinoise LONGi – dépassant de loin le plafond théorique du silicium seul. Des entreprises comme Oxford PV, Qcells et JinkoSolar se précipitent pour commercialiser des panneaux tandem.

Le problème de la durabilité

Malgré toutes leurs promesses, les pérovskites ont une faiblesse critique : elles se dégradent. Les panneaux en silicium conservent généralement 90 % de leur production après 25 ans. Les premières cellules en pérovskite ne duraient que quelques heures. Les versions modernes sont bien meilleures, mais les essais sur le terrain montrent toujours des pertes de performances significatives quelques mois après l'exposition en extérieur.

Le coupable est un cycle de dégradation autocatalytique. Lorsque l'humidité, la chaleur ou la lumière ultraviolette commencent à décomposer le cristal de pérovskite, les sous-produits accélèrent la destruction du matériau voisin, créant une défaillance en cascade. Selon le Département de l'Énergie des États-Unis, quatre défis doivent être résolus simultanément : la stabilité, l'efficacité à grande échelle, la fabricabilité et la validation à long terme.

Les chercheurs s'attaquent au problème sous de multiples angles. L'Université Northwestern a développé un ligand amidinium qui a maintenu un rendement de plus de 90 % pendant 1 100 heures à 85 °C. D'autres équipes ont utilisé des nanoparticules d'alumine pour multiplier par dix la durée de vie des dispositifs. Des formulations alternatives utilisant des pérovskites de chalcogénures montrent une résistance intrinsèquement plus grande aux dommages environnementaux.

La route vers votre toit

La commercialisation est en cours, bien que prudemment. Oxford PV a expédié des panneaux tandem avec un rendement de 24,5 % à des projets à l'échelle des services publics aux États-Unis. La société chinoise UtmoLight exploite une ligne de production pilote de 150 mégawatts. Le Japon s'est fixé un objectif national de 20 gigawatts d'électricité produite par les pérovskites d'ici 2040, avec des coûts prévus à la baisse, à 14 cents par watt.

La technologie n'est plus un rêve de laboratoire – c'est une réalité industrielle à ses débuts. Si l'écart de durabilité se réduit, les tandems pérovskite-silicium pourraient faire passer le rendement solaire sur les toits à plus de 30 %, générant plus d'énergie à partir de la même surface de toit et accélérant la transition énergétique mondiale. Le cristal qui a mis 15 ans à rivaliser avec le silicium pourrait n'avoir besoin que de quelques années de plus pour le surpasser.