Les pérovskites sont largement considérées comme la plate-forme probable pour les cellules solaires de nouvelle génération, remplaçant le silicium en raison de son processus de fabrication plus simple, de son coût inférieur et de sa plus grande flexibilité. Qu'est-ce que ce cristal inhabituel et complexe et pourquoi a-t-il un si grand potentiel ? Crédit :Jose-Luis Olivares et Christine Daniloff, MIT
Les pérovskites promettent de créer des panneaux solaires qui pourraient être facilement déposés sur la plupart des surfaces, y compris les surfaces flexibles et texturées. Ces matériaux seraient également légers, peu coûteux à produire et aussi efficaces que les principaux matériaux photovoltaïques actuels, qui sont principalement du silicium. Ils font l'objet de recherches et d'investissements croissants, mais les entreprises qui cherchent à exploiter leur potentiel doivent surmonter certains obstacles restants avant que les cellules solaires à base de pérovskite puissent être commercialement compétitives.
Le terme pérovskite ne fait pas référence à un matériau spécifique, comme le silicium ou le tellurure de cadmium, autres prétendants de premier plan dans le domaine photovoltaïque, mais à toute une famille de composés. La famille des pérovskites de matériaux solaires tire son nom de sa similitude structurelle avec un minéral appelé pérovskite, qui a été découvert en 1839 et nommé d'après le minéralogiste russe L.A. Perovski.
La pérovskite minérale d'origine, qui est de l'oxyde de titane et de calcium (CaTiO3 ), a une configuration cristalline distinctive. Il a une structure en trois parties, dont les composants sont appelés A, B et X, dans lesquels les réseaux des différents composants sont entrelacés. La famille des pérovskites se compose des nombreuses combinaisons possibles d'éléments ou de molécules qui peuvent occuper chacun des trois composants et former une structure similaire à celle de la pérovskite d'origine elle-même. (Certains chercheurs contournent même un peu les règles en nommant d'autres structures cristallines avec des éléments similaires "pérovskites", bien que cela soit mal vu par les cristallographes.)
"Vous pouvez mélanger et assortir des atomes et des molécules dans la structure, avec certaines limites. Par exemple, si vous essayez de fourrer une molécule trop grosse dans la structure, vous la déformerez. Finalement, vous pourriez provoquer la séparation du cristal 3D en une structure en couches 2D, ou perdre entièrement la structure ordonnée », explique Tonio Buonassisi, professeur de génie mécanique au MIT et directeur du laboratoire de recherche photovoltaïque. "Les pérovskites sont hautement ajustables, comme un type de structure cristalline à construire soi-même", dit-il.
Cette structure de réseaux entrelacés est constituée d'ions ou de molécules chargées, dont deux (A et B) sont chargées positivement et l'autre (X) est chargée négativement. Les ions A et B sont généralement de tailles assez différentes, le A étant plus grand.
Dans la catégorie globale des pérovskites, il existe un certain nombre de types, y compris les pérovskites à oxyde métallique, qui ont trouvé des applications dans la catalyse et dans le stockage et la conversion d'énergie, comme dans les piles à combustible et les batteries métal-air. Mais l'un des principaux axes de recherche depuis plus d'une décennie a été les pérovskites aux halogénures de plomb, selon Buonassisi.
Dans cette catégorie, il existe encore une légion de possibilités, et les laboratoires du monde entier s'efforcent de trouver les variations qui présentent les meilleures performances en termes d'efficacité, de coût et de durabilité, ce qui a jusqu'à présent été le plus difficile. des trois.
De nombreuses équipes se sont également concentrées sur des variantes qui éliminent l'utilisation du plomb, pour éviter son impact environnemental. Buonassisi note, cependant, que "constamment au fil du temps, les appareils à base de plomb continuent d'améliorer leurs performances, et aucune des autres compositions ne s'est rapprochée en termes de performances électroniques". Les travaux se poursuivent sur l'exploration d'alternatives, mais pour l'instant aucune ne peut rivaliser avec les versions aux halogénures de plomb.
L'un des grands avantages des pérovskites est leur grande tolérance aux défauts de structure, dit-il. Contrairement au silicium, qui nécessite une pureté extrêmement élevée pour bien fonctionner dans les appareils électroniques, les pérovskites peuvent bien fonctionner même avec de nombreuses imperfections et impuretés.
Rechercher de nouvelles compositions candidates prometteuses pour les pérovskites, c'est un peu comme chercher une aiguille dans une botte de foin, mais récemment, des chercheurs ont mis au point un système d'apprentissage automatique qui peut grandement rationaliser ce processus. Cette nouvelle approche pourrait conduire à un développement beaucoup plus rapide de nouvelles alternatives, déclare Buonassisi, co-auteur de cette recherche.
Alors que les pérovskites continuent d'être très prometteuses et que plusieurs entreprises se préparent déjà à commencer une production commerciale, la durabilité reste le plus grand obstacle auquel elles sont confrontées. Alors que les panneaux solaires en silicium conservent jusqu'à 90 % de leur puissance après 25 ans, les pérovskites se dégradent beaucoup plus rapidement. De grands progrès ont été réalisés :les échantillons initiaux n'ont duré que quelques heures, puis des semaines ou des mois, mais les nouvelles formulations ont des durées de vie utilisables allant jusqu'à quelques années, adaptées à certaines applications où la longévité n'est pas essentielle.
Du point de vue de la recherche, dit Buonassisi, l'un des avantages des pérovskites est qu'elles sont relativement faciles à fabriquer en laboratoire - les constituants chimiques s'assemblent facilement. Mais c'est aussi leur inconvénient :"Le matériau s'assemble très facilement à température ambiante", dit-il, "mais il se détache aussi très facilement à température ambiante. Easy come, easy go !"
Pour résoudre ce problème, la plupart des chercheurs se concentrent sur l'utilisation de divers types de matériaux de protection pour encapsuler la pérovskite, la protégeant de l'exposition à l'air et à l'humidité. Mais d'autres étudient les mécanismes exacts qui conduisent à cette dégradation, dans l'espoir de trouver des formulations ou des traitements intrinsèquement plus robustes. L'une des principales conclusions est qu'un processus appelé autocatalyse est en grande partie responsable de la panne.
En autocatalyse, dès qu'une partie du matériau commence à se dégrader, ses produits de réaction agissent comme des catalyseurs pour commencer à dégrader les parties voisines de la structure, et une réaction d'emballement se met en route. Un problème similaire existait dans les premières recherches sur certains autres matériaux électroniques, tels que les diodes électroluminescentes organiques (OLED), et a finalement été résolu en ajoutant des étapes de purification supplémentaires aux matières premières, de sorte qu'une solution similaire peut être trouvée dans le cas de pérovskites, suggère Buonassisi.
Buonassisi et ses co-chercheurs ont récemment terminé une étude montrant qu'une fois que les pérovskites atteignent une durée de vie utile d'au moins une décennie, grâce à leur coût initial beaucoup plus faible qui serait suffisant pour les rendre économiquement viables en tant que substitut du silicium dans les grandes applications utilitaires. fermes solaires à grande échelle.
Dans l'ensemble, les progrès dans le développement des pérovskites ont été impressionnants et encourageants, dit-il. Avec seulement quelques années de travail, il a déjà atteint des rendements comparables à des niveaux que le tellurure de cadmium (CdTe), "qui existe depuis bien plus longtemps, a encore du mal à atteindre", dit-il. "La facilité avec laquelle ces performances supérieures sont atteintes dans ce nouveau matériau est presque stupéfiante." En comparant le temps de recherche consacré à une amélioration de 1% de l'efficacité, dit-il, les progrès sur les pérovskites ont été entre 100 et 1000 fois plus rapides que ceux sur le CdTe. "C'est l'une des raisons pour lesquelles c'est si excitant", dit-il.
