Vers des cellules solaires efficaces sans plomb Les cellules solaires à pérovskite ont laissé entrevoir un énorme potentiel d’amélioration par rapport aux modèles qui les ont précédées, mais elles ont suscité des inquiétudes sur le plan environnemental. Une équipe de l’UE étudie donc d’autres types de cellules de la famille des pérovskites. Changement climatique et Environnement © Clever Stock, Shutterstock Les cellules photovoltaïques, également appelées cellules solaires, convertissent la lumière en électricité. Les cellules solaires en silicium constituent le type de cellules le plus courant et sont en production depuis les années 1950. La fabrication de ce type de cellule s’avère toutefois difficile et très énergivore. Une version plus récente était censée résoudre ces problèmes. Disponibles depuis 2009, les cellules solaires à pérovskite portent le nom de ce minéral. Techniquement, le minéral en question possède une structure cristalline particulière, observée dans de nombreux matériaux. Dans le domaine des cellules solaires, nous avons tendance à utiliser le terme de pérovskite pour désigner cette structure plutôt que le minéral. Les cellules à pérovskite sont efficaces sur le plan électrique; tout en étant bon marché et faciles à fabriquer. Présentant de nombreux avantages évidents par rapport aux technologies de cellules solaires déjà en place, les cellules à pérovskite ont rapidement acquis le statut de nouveau type de cellule solaire le plus prometteur au monde. Malheureusement, ces cellules contiennent également du plomb toxique, un matériau progressivement abandonné dans la fabrication des appareils électroniques. Les chercheurs en cellules solaires sont maintenant à la recherche de pérovskites alternatives. Des recherches sur les pérovskites doubles Le projet PhotSol, financé par l’UE et entrepris avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie, a étudié ce type d’alternative. L’équipe a examiné des pérovskites sans plomb, notamment celle appelée pérovskite double. L’efficacité électrique de ces matériaux reste toutefois assez faible. Les chercheurs de PhotSol ont donc essayé d’améliorer leur efficacité en identifiant et en éliminant les goulets d’étranglement qui affectent leurs performances par le biais de processus extrêmement compliqués, appelés mécanismes de perte. Ces goulets d’étranglement sont souvent causés par des défauts présents dans le matériau, notamment des malformations des cristaux ou des impuretés. Les surfaces et les interfaces peuvent également être sources de défauts. Wolfgang Tress, chercheur principal du projet, explique: «Une fois que nous avons identifié le type de défaut qui limite les performances, nous pouvons cibler spécifiquement ce défaut lors de la fabrication du dispositif. Par exemple, si les interfaces sont les principales coupables, comme c’est souvent le cas dans les cellules solaires, l’emploi de couches de passivation ou le remplacement des couches interfaciales sont susceptibles de réduire la densité des défauts.» Des déboires et une nouvelle orientation Bien que l’équipe soit parvenue à identifier les goulets d’étranglement relatifs à un type de cellule solaire à pérovskite double, ce matériau n’a pas démontré un potentiel suffisant pour faire office de cellule solaire efficace. Par ailleurs, les travaux de l’équipe se sont avérés difficiles à reproduire, un problème qui tourmente souvent les chercheurs étudiant les pérovskites. Le consortium a donc abandonné cette voie et examinera des matériaux similaires, mais plus récents. L’étude a néanmoins permis d’établir des protocoles de caractérisation utiles. «Au cours de la caractérisation, nous avons fait une découverte sans précédent», ajoute Wolfgang Tress. «Nous avons réussi à mesurer pour la première fois le spectre d’électroluminescence.» Ce dernier peut être obtenu en faisant fonctionner la cellule solaire comme une diode électroluminescente, en commençant par appliquer un courant, puis en détectant l’émission. Bien que le signal soit très faible, comme prévu, le spectre était étonnamment différent de celui de la photoluminescence. Dans les pérovskites au plomb, les spectres d’électroluminescence et de photoluminescence sont habituellement identiques. L’équipe n’est pas encore en mesure d’expliquer cette différence, mais elle va enquêter sur la question avec enthousiasme. Les chercheurs de PhotSol vont continuer à développer de nouvelles technologies photovoltaïques, en s’efforçant de comprendre la physique des dispositifs afin d’en améliorer la conception. Pour les aider à y parvenir, Wolfgang Tress a reçu une subvention de démarrage de la part du CER. À terme, ces travaux contribueront au développement de cellules solaires véritablement efficaces et sans plomb. Une fois disponibles et installées à grande échelle, elles permettront de réduire la dépendance du monde à l’égard des combustibles fossiles, réduisant du même coup les émissions de gaz à effet de serre. Mots‑clés PhotSol, cellules solaires, pérovskite, sans plomb, photovoltaïque, pérovskite double
