Des découvertes de matériaux annoncent un avenir radieux pour les cellules solaires
Les pérovskites à halogénures sont une classe de matériaux semi-conducteurs qui, lorsqu’ils sont utilisés dans une cellule solaire, peuvent transformer la lumière du soleil en électricité (et l’électricité en lumière visible dans les LED). Bien que ce matériau soit connu depuis plusieurs décennies, son énorme potentiel pour l’énergie photovoltaïque (cellules solaires) n’a été réalisé que récemment. «Par rapport à un matériau semi-conducteur standard comme le silicium, les pérovskites à halogénures présentent de nombreux avantages», explique Henk Bolink, professeur à l’Institut des sciences moléculaires de l’Université de Valence, en Espagne. «Des pérovskites de haute qualité peuvent être formées par des processus chimiques extrêmement simples. Le matériau peut alors être conçu pour couvrir toute la gamme du visible, de l’infrarouge à l’ultraviolet. Cela ouvre un vaste éventail d’applications possibles, comme les cellules solaires et les LED blanches.» La viabilité économique a toutefois été un défi majeur pour la commercialisation de ce matériau. Les dispositifs photovoltaïques à grande échelle doivent disposer d’une durée de vie opérationnelle d’au moins 10 ans, tandis que les LED de pointe fonctionnent pendant des milliers d’heures. «Il est indispensable d’améliorer la stabilité des cellules photovoltaïques et des LED à base de pérovskite», déclare Henk Bolink. Un deuxième défi réside dans le fait que toutes les cellules solaires et les LED à base de pérovskite à haut rendement contiennent de petites quantités de plomb toxique. Des pérovskites sans plomb élimineraient le besoin de confinement et de recyclage. La mise au point d’un traitement sans solvant rendrait la pérovskite encore plus attrayante.
Des alternatives peu toxiques
Le projet PerovSAMs a été lancé en janvier 2018 pour explorer des matériaux de substitution peu toxiques aux pérovskites à l’halogénure de plomb, et pour développer des méthodes de production sans solvant. Cette recherche a impliqué Francisco Palazon en tant que bénéficiaire d’une bourse individuelle du programme Actions Marie Skłodowska-Curie. «Parfois, les idées les plus simples sont les meilleures», déclare Henk Bolink. «Avant de commencer, nous ne pensions pas vraiment que le broyage conjoint de produits chimiques pouvait déboucher sur la formation d’autant de matériaux intéressants. Cependant, nous avons commencé à entrevoir un grand potentiel dans cette technique.» L’équipe du projet a exploré différentes compositions chimiques. La volonté de remplacer le plomb par des métaux plus respectueux de l’environnement nous a fait découvrir des matériaux plus “exotiques”, tels que les halogénures de cuivre ternaires», ajoute Henk Bolink. L’un des principaux défis consistait à transformer des matériaux pulvérulents en couches minces (comme on peut en trouver dans des dispositifs tels que les cellules solaires). Nous avons mis au point une technique qui permet de chauffer la poudre dans un caisson à vide, afin de condenser les matériaux en un substrat voulu. «Nous avons également découvert, à notre grande surprise, que des pellets de haute qualité, qui pourraient être intéressants pour les détecteurs à rayons X, pouvaient être préparés simplement en comprimant les poudres», explique Henk Bolink.
Potentiel pour l’industrie
Le succès du projet PerovSAMs à développer un procédé de production sous vide, ainsi qu’à produire des halogénures de cuivre peu toxiques et à luminescence bleue, a été partagé dans des revues universitaires. «La technologie développée dans ce projet présente un grand potentiel de transfert vers l’industrie», note Henk Bolink. «Nous optimisons actuellement les processus pour permettre une production à plus grande échelle.» Ce projet a également permis de lancer une nouvelle ligne de recherche sur les pérovskites à halogénures et l’optoélectronique connexe. «Nous nourrissons l’espoir que les techniques que nous avons appliquées seront de plus en plus largement adoptées», déclare Henk Bolink. «Cela contribuera à la découverte de nouveaux matériaux et à leur mise en œuvre dans le domaine de l’énergie photovoltaïque et d’autres applications.» Le rapide développement des compositions de pérovskite est l’un des points de départ du projet HELD, financé par le CER et dont Henk Bolink est le chercheur principal. Le projet a débuté en septembre 2019, et vise à développer des piles multicouches hautement luminescentes et des méthodes de production reproductibles. «Nous allons poursuivre le développement des méthodes pionnières de PerovSAMs en transformant les poudres en couches minces homogènes», conclut-il.
Mots‑clés
PerovSAMs, pérovskites à halogénures, solaire, LED, photovoltaïque, toxique, luminescent, optoélectronique, sans solvant, chimique
