Cellule photovoltaïque à pérovskite

Les pérovskites sont connues depuis 1830, mais il a fallu attendre les travaux de Tsutomu Miyasaka pour découvrir leur potentiel pour la réalisation de cellules photovoltaïques. L'université d'Oxford et l'EPFL s'y intéressent alors également. En 2013, Olga Malinkiewicz, doctorante à l'Institut des sciences moléculaires (ICMol) de l'Université de Valence, « crée une cellule photovoltaïque en posant une couche de pérovskites par évaporation, et finalement par simple impression à jet d'encre[8]. » Par rapport à la technologie à haute température utilisée jusqu'alors, cette découverte permet de mettre en place la production à l'échelle industrielle de cellules solaire à pérovskites.

La technologie pourrait aboutir à des panneaux solaires à moindre cout compte tenu en particulier d'un mode de fabrication plus simple[9], mais pas forcément de meilleure qualité (rendement, durée de vie).

Structure cristalline du triiodure de plomb méthylammonium CH₃NH₃PbI₃ (MAPbI₃), l'un des halogénures de plomb méthylammonium les plus employés. Dans cette structure pérovskite, le cation méthylammonium CH₃NH₃⁺ est entouré par huit octaèdres PbX₆[10].

Les composés de formule générale ABX₃, où A et B sont des cations et X un anion, produisent des pérovskites lorsque le rayon ionique de A est compris entre 160 et 250 pm[11]. Les halogénures de plomb méthylammonium CH₃NH₃PbX₃ sont parmi les pérovskites photovoltaïques les plus étudiées, notamment le triiodure de plomb méthylammonium CH₃NH₃PbI₃, dans lequel le cation A est le méthylammonium CH₃NH₃⁺, le cation B est le plomb Pb²⁺ et l'halogénure X est l'anion iodure I⁻, ou encore des halogénures mixtes tels que CH₃NH₃PbI_3−xCl_x. Ces matériaux présentent une largeur de bande interdite de l'ordre de 1,55 à 2,3 eV selon les halogènes qu'ils contiennent. Les trihalogénures de plomb formamidinium HC(NH₂)₂PbX₃ présentent également un intérêt photovoltaïque, avec une largeur de bande interdite de l'ordre de 1,48 à 2,2 eV ; la largeur de bande interdite la plus faible de ces composés étant plus proche de l'optimum pour les cellules à jonction p-n que la largeur de bande interdite des composés à méthylammonium, cela devrait permettre de meilleurs rendements énergétiques[12].

Ces composés présentent l'inconvénient de contenir du plomb, qui est toxique et responsable du saturnisme en cas d'exposition aiguë ou chronique à cet élément. Des alternatives à l'étain ont été proposées, mais leurs performances restent très en retrait par rapport à leurs équivalents au plomb : en 2014, le rendement de l'iodure d'étain méthylammonium CH₃NH₃SnI₃ atteignait 6,4 %[13], celui de l'halogénure mixte CH₃NH₃SnIBr₂ atteignait 5,73 %[14], tandis que celui du triiodure d'étain césium CsSnI₃ atteignait 2,02 %[15] et celui du triiodure d'étain formamidinium HC(NH₂)₂SnI₃ approchait 10 % en 2018[16] - [17]. La difficulté vient du manque de stabilité de l'étain pour l'état d'oxydation +2 : il tend à s'oxyder en cation Sn⁴⁺[18], ce qui dégrade les propriétés électroniques du matériau par autodopage[19].

La première utilisation de pérovskites photovoltaïques dans des cellules solaires a été pour réaliser des cellules à pigment photosensible avec le triiodure d'étain césium CsSnI₃ comme couche absorbante de type p pour le transport des trous[20].

Malgré certaines propriétés très intéressantes des cellules à pérovskites, des obstacles importants (stabilité, résistance à l'eau, à la température et aux UV solaires) ont longtemps subsisté, au profit des cellules en silicium qui dominent toujours le marché[22].

Par ailleurs, l'utilisation de plomb ou d'étain pour la fabrication de cellules à courte durée de vie pourraient présenter un obstacle à leur diffusion, du fait de la toxicité de ces matériaux[23].

Il reste donc à rendre ces cellules beaucoup plus stables. En 2017, dans la revue Nature Communications, une équipe de l'École polytechnique fédérale de Lausanne suggère que l'instabilité des cellules à pérovskites peut être surmontée grâce à certaines technologies à faible coût, permettant la fabrication de cellules ultra-performantes de confection peu coûteuse[24]. Ceci pourrait révolutionner le marché de l'énergie photovoltaïque, en faisant chuter les coûts tout en augmentant brutalement la productivité des panneaux[25].
Une étude germano-suisse parue en novembre 2011 dans la revue Science montre que cette instabilité provient de la dégradation du contact entre le thiocyanate de cuivre(I) (CuSCN) et l’or durant l’activité des cellules solaires[26] - [27].

Non seulement les chercheurs de l’EPFL ont développé une méthode simple de dépôt de couches enrobantes de 60 nm d’épaisseur de CuSCN (grâce à une évaporation accélérée du solvant), mais ils ont encore amélioré la stabilité des cellules pérovskite dopées au thiocyanate de cuivre (en le protégeant par une fine couche d’oxyde de graphène réduit)[28].
Pour un rendement initial dépassant 20 % pour un film neuf, les modules n’ont alors perdu qu’un peu moins de 5 % de leurs performances lors du test de vieillissement consistant à les exposer à 1 000 heures d’équivalent pleine lumière solaire, à 60 °C, c’est un nouveau record. Le thiocyanate de cuivre (CuSCN) est l’un des candidats les plus intéressants, car relativement stable, efficace et surtout très bon marché (0,5 $/g contre 500 $/g pour le spiro-OMeTAD qui est le plus utilisé). L’ajout d’une fine couche d’espacement en oxyde de graphène réduit entre les couches de CuSCN et une couche d’or a stabilisé les films solaires pérovskite, plus qu’avec les meilleures cellules solaires en pérovskite à base de hole transport material organique).

En 2019, deux obstacles semblent pouvoir bientôt être contournés : 1) le besoin d'utiliser des polymères très coûteux, 2) le besoin d'ajouter une quantité infime de dopants à ces polymères, ce qui dégrade aussi la qualité de la couche de pérovskite dans les dispositifs[29] - [30]. Les premiers dopants testés étaient instables dans le temps, mais des produits plus stables ont été mis au point[31].
En 2019, dans le journal Nature, Jung et al. rapportent une architecture pour une cellule solaire à pérovskite utilisant un polymère moins cher, et surtout ne nécessitant aucun agent dopant, et dont le rendement est très élevé (22,7%)[32].

En 2020-2021, La Recherche a réussi à produire des cellules plus stables (par exemple grâce à un sel de pipéridinium (c'est-à-dire de pipéridine protonée)[33] et des cellules ayant de très faibles pertes de tension (proche du minimum théorique) et une efficacité quantique interne proche de l'unité 9,10,11,12,13. Mais, leur transport de charge est encore médiocre (entre l'absorbeur de pérovskite et les électrodes de la cellule), ce qui limite leur facteur de remplissage (<83 %, en dessous de la limite de Shockley-Queisser d'environ 90 %), ce qui nuit à leur efficacité de conversion[34].

En 2022, Peng et ses collègues, présentent un nouveau processus de dopage inverse capable de produire des couches de transport d'électrons en oxyde de titane dopé à l'azote « avec des performances de transport de charge exceptionnelles. En incorporant ce matériau de transport de charge dans des cellules solaires en pérovskite (...) de 1 cm2, les facteurs de remplissage dépassent 86 % (85,3 % en moyenne) ». Le rendement certifié en régime permanent était de 22,6 % pour une cellule de 1 cm2 (23,33 % ± 0,58 % à partir d'un balayage courant inverse-tension)[34].