L'énergie solaire est devenue la pierre angulaire de la transition mondiale vers l'énergie renouvelable, avec une capacité installée qui augmente de façon exponentielle chaque année. Pourtant, les panneaux solaires classiques au silicium, tout en étant fiables, sont confrontés à des limites fondamentales en termes d'efficacité et de réduction des coûts. Pour dépasser ces limites, les chercheurs et les fabricants se tournent vers une nouvelle classe de matériaux : les perovskites. Ces composés cristallins promettent de fournir des cellules solaires moins chères, plus légères et plus efficaces qui pourraient remodeler l'ensemble du paysage de l'énergie solaire.

Que sont les matériaux perovskite?

Les perovskites sont une famille de matériaux cristallins caractérisés par une structure cristalline spécifique appelée structure perovskite, qui est nommée d'après le titanate de calcium minéral (CaTiO3) découvert pour la première fois dans les montagnes de l'Oural par Gustav Rose en 1839. La formule générale pour un perovskite est ABX3, où A et B sont des cations de différentes tailles et X est un anion (souvent de l'oxygène ou un halogène).

Les Perovskites ont un coefficient d'absorption élevé, ce qui signifie qu'ils peuvent capturer la lumière du soleil avec des couches très fines, souvent seulement quelques centaines de nanomètres d'épaisseur. Ils ont aussi de longues longueurs de diffusion et une grande mobilité de porte-charge, permettant aux électrons et aux trous de se déplacer efficacement vers les électrodes avant de se recombiner. Ces propriétés permettent aux cellules solaires perovskite d'obtenir des rendements de conversion de puissance élevés avec des procédés de fabrication relativement simples et à basse température.

Contrairement au silicium, qui nécessite des cristaux simples à haute pureté et une fabrication à haute intensité énergétique à des températures supérieures à 1 000 °C, les perovskites peuvent être déposés à partir de solutions à basse température (inférieures à 150 °C).

Les avantages des cellules solaires Perovskite

Gains d'efficacité exceptionnels

Depuis les premiers rapports de cellules solaires perovskite en 2009 avec une efficacité de seulement 3,8%, le domaine a progressé avec une vitesse étonnante. Depuis 2025, les efficacités certifiées pour les cellules solaires perovskite mono-jonction ont atteint plus de 26%, correspondant aux meilleures cellules de silicium monocristalline. Cette amélioration rapide est sans précédent dans l'histoire photovoltaïque – il a fallu des décennies de silicium pour réaliser des gains similaires.

Réduction des coûts de production et des rendements énergétiques

La simplicité de fabrication des cellules solaires perovskite se traduit directement par des coûts moindres. Les plaquettes en silicone nécessitent une purification coûteuse et à forte intensité énergétique et une croissance cristalline, tandis que les perovskites peuvent être déposés en utilisant des techniques évolutives telles que le revêtement par slot-die, l'impression à jet d'encre ou le dépôt de vapeur. L'utilisation des matériaux est également réduite de façon drastique : une couche perovskite est généralement 500 nanomètres[ épais, par rapport à 150–200 micromètres pour une wafer en silicium, une réduction de 300 fois dans le matériau semi-conducteur.

Flexibilité et conception légère

Contrairement aux cellules de silicium rigide, les couches de perovskite peuvent être déposées sur des films plastiques, des feuilles métalliques ou même des tissus. Cela crée des possibilités d'application entièrement nouvelles : les cellules solaires intégrées dans les bardeaux de toiture, les panneaux de façade de bâtiment, les tissus de tente, les surfaces du véhicule et les chargeurs portables. La légèreté des modules de perovskite (jusqu'à quelques centaines de grammes par mètre carré) les rend également idéales pour des applications sensibles au poids telles que les drones, les satellites et les toits de véhicules électriques.

Absorption de lumière supérieure dans le spectre

Les perovskites absorbent la lumière solaire dans une gamme plus large et plus efficace du spectre solaire par rapport au silicium. Le silicium a un bandgap indirect d'environ 1,1 eV, ce qui signifie qu'il absorbe la lumière moins efficacement au-dessus de cette énergie, gaspillant quelques photons à haute énergie comme chaleur. Les perovskites ont un bandgap direct qui peut être accordé d'environ 1,2 eV à 2,3 eV en modifiant la composition en halogénure (par exemple, mélange d'iode et de brome). Cette tunabilité permet d'optimiser les cellules perovskite pour différentes conditions de lumière, y compris l'éclairage intérieur, et de les associer au silicium dans les cellules en tandem pour capturer davantage de spectre solaire.

Défis et limites

Stabilité et durabilité

La plus grande barrière à la commercialisation des cellules solaires perovskite est leur vulnérabilité aux facteurs de stress environnementaux (l'humidité, l'oxygène, la chaleur, la lumière ultraviolette et le biais électrique). Les matériaux perovskite peuvent se dégrader rapidement dans ces conditions, certaines cellules précoces perdant leur efficacité en quelques heures ou quelques jours dans l'air ambiant. La structure cristalline elle-même est douce et ionique, ce qui la rend vulnérable aux réactions chimiques et à la migration des ions.

Préoccupations relatives à la toxicité du plomb

Les cellules solaires perovskite les plus performantes contiennent du plomb, ce qui soulève des préoccupations quant aux risques pour l'environnement et la santé si les modules sont endommagés ou éliminés de façon incorrecte. Le plomb est une neurotoxine puissante et son utilisation dans les produits de consommation fait l'objet d'une réglementation lourde dans de nombreuses régions. Les chercheurs explorent activement des solutions de remplacement sans plomb telles que les perovskites à base d'étain (p. ex. CsSnI3) ou les perovskites doubles (p. ex. Cs2AgBiBr6).

Scalabilité et reproductibilité de la fabrication

La production de films perovskite de haute qualité sur de grandes surfaces (mètres carrés) est plus difficile que sur de petits substrats de laboratoire (centimètres carrés). Les méthodes de dépôt de solution utilisées dans le laboratoire donnent souvent des trous d'épingles, des variations d'épaisseur et des défauts lorsqu'elles sont montées à l'échelle. Les méthodes de dépôt sous vide offrent un meilleur contrôle, mais sont plus lentes et plus coûteuses.

Recherche et innovations Surmonter les obstacles

Les cellules tandem : le meilleur des deux mondes

L'une des stratégies les plus prometteuses pour améliorer l'efficacité et la stabilité est de combiner les perovskites et le silicium dans les cellules en tandem. Dans cette configuration, la cellule supérieure perovskite absorbe les photons à haute énergie, tandis que la cellule inférieure en silicium capture les photons à basse énergie qui traversent la couche de perovskite. Cette approche tire parti de l'infrastructure de fabrication mature du silicium tout en ajoutant l'augmentation de l'efficacité des perovskites. Oxford PV a démontré une cellule en tandem perovskite-silicon avec une efficacité de 29,5 % et développe des modules pour la libération commerciale.

Encapsulation avancée et films de barrière

Pour traiter de la sensibilité à l'humidité et à l'oxygène, les chercheurs développent des matériaux d'encapsulation robustes. Le dépôt de couches atomiques (ALD) de couches inorganiques ultraminces (p. ex., oxyde d'aluminium) peut fournir une barrière très efficace sans compromettre la flexibilité. L'encapsulation à base de polymères avec des agents de scellement et des dessicants de bord a également été démontrée pour prolonger la durée de vie des cellules perovskite à plus de 1 000 heures de fonctionnement continu dans des conditions accélérées.

Perovskites sans plomb et à faible intoxication

Les perovskites à base d'étain ont atteint une efficacité supérieure à 14 %, mais ils oxydent rapidement dans l'air. Les perovskites à base de bismuth et d'antimoine sont plus stables mais ont une efficacité moindre jusqu'à présent. Une autre approche consiste à utiliser des matériaux de séquestrage de plomb dans l'emballage du module, comme les absorbeurs chimiques qui piègent tout plomb libéré en cas de dommage. Cela pourrait permettre l'utilisation de perovskites de plomb tout en respectant les normes de sécurité réglementaires.

Techniques de fabrication évolutives

Pour passer du laboratoire à la mode, les chercheurs perfectionnent les méthodes de dépôt. Le revêtement par slot-die, largement utilisé dans l'industrie de l'impression, peut produire des films perovskite uniformes à des vitesses de mètres par seconde. Le dépôt par pulvérisation ou évaporation thermique permet un contrôle précis de la composition et de l'épaisseur. Des méthodes hybrides combinant la solution et les étapes de vapeur sont également explorées. L'automatisation et la surveillance en ligne à l'aide de capteurs optiques et d'algorithmes d'apprentissage des machines aident à réduire les défauts et à améliorer le rendement.

Applications et potentiel du marché

Photovoltaïque intégrée au bâtiment (BIPV)

La flexibilité et la semi-transparence des cellules solaires perovskite les rendent idéales pour les applications intégrées au bâtiment. Ces cellules peuvent être déposées sur des films en verre ou en plastique pour créer des fenêtres solaires colorées, à motifs ou même transparentes qui produisent de l'électricité sans gêner la vue. Les équipes de recherche du MIT et d'autres ont démontré des cellules perovskite transparentes avec des rendements supérieurs à 10% et une transmission de lumière visible de 40 à 50%.

Électronique portable et portable

Des sociétés comme Saule Technologies travaillent sur des cellules perovskites imprimées pour des capteurs Internet de choses (IoT), des étiquettes intelligentes et des appareils portables. La capacité de récolter la lumière intérieure (fluorescente et LED) est particulièrement précieuse pour alimenter de petits appareils électroniques dans les maisons et les bureaux, où les cellules de silicium fonctionnent mal. Les cellules Perovskite avec des bandgaps ajustés aux spectres intérieurs peuvent atteindre des gains d'efficacité supérieurs à 30% sous la lumière artificielle de faible intensité, dépassant ainsi de loin le silicium.

Aérospatiale et défense

Les satellites, les drones et les pseudosatellites de haute altitude pourraient bénéficier de réseaux solaires légers qui produisent autant de puissance que des cellules de silicium ou de triple-jonction plus lourdes. Les cellules de Perovskite ont été testées en orbite terrestre basse sur de petits satellites et ont montré une bonne résistance aux rayonnements, bien que davantage de tests soient nécessaires. La capacité de déposer des cellules de perovskite sur des substrats flexibles permet également un arrimage compact et un déploiement dans l'espace.

Photovoltaïque intégrée au véhicule

Les véhicules électriques (EV) peuvent étendre leur gamme en intégrant des cellules solaires sur le toit, le capot et le coffre. Les cellules Perovskite sont flexibles et efficaces pour les surfaces de l'automobile courbée. Les économies de poids par rapport aux cellules en silicium en verre contribuent également à l'efficacité du véhicule.

Calendrier de commercialisation

En 2025, les premiers modules solaires perovskite commerciaux commencent à apparaître dans des applications de niche. Oxford PV prévoit de fabriquer ses modules en tandem perovskite-silicon à son usine en Allemagne d'ici 2026, ciblant le marché solaire à l'échelle de l'utilité. Saule Technologies a lancé des produits de récolte d'énergie intérieure pour capteurs IoT. Microquanta Semiconductor en Chine exploite une ligne pilote de 100 MW et prévoit atteindre 1 GW d'ici 2027.

Pour les modules de chauffage résidentiel et commercial, les experts prévoient que les modules de chauffage à longue durée de vie de 20 ans et coûtent moins de 0,30 $ le watt d'ici 2030. Les modules de chauffage à vapeur peuvent atteindre des rendements supérieurs à 30 % dans la production dans le même délai.

Impact environnemental et durabilité

L'analyse du cycle de vie des cellules solaires perovskite montre qu'elles présentent un potentiel de toxicité plus faible que ce qui est largement redouté, surtout lorsqu'elles sont encapsulées correctement. La teneur en plomb d'un module perovskite est d'environ 0,1 à 0,2 grammes par mètre carré, comparativement à 100 à 200 grammes de plomb utilisé dans chaque batterie plomb-acide. De plus, le plomb d'un tel module est souvent présent dans un composé stable moins soluble que le plomb métallique.

Les chercheurs ont démontré des méthodes pour dissoudre la couche de perovskite et récupérer le plomb, l'étain et d'autres matériaux pour la réutilisation dans de nouvelles cellules. Le recyclage en boucle fermée pourrait réduire les déchets et répondre aux préoccupations concernant la pénurie de ressources.

Conclusion

Les matériaux de Perovskite possèdent une rare combinaison de haute efficacité, de faible coût et de polyvalence qui les place comme une force de transformation de l'énergie solaire. Bien que des défis importants subsistent – en particulier en matière de stabilité et d'échelle – le rythme de l'innovation est remarquable. Les conceptions Tandem, l'encapsulation avancée et les solutions de remplacement sans plomb réduisent constamment l'écart entre les cellules de laboratoire et les produits commercialement viables.

Lectures supplémentaires et sources: