Que sont les matériaux perovskite?

Les matériaux de perovskite se rapportent à tout composé qui adopte la structure cristalline de l'oxyde de titane de calcium (CaTiO3), avec la formule générale ABX3. Dans les applications photovoltaïques, les perovskites les plus courants sont les halogénures organiques hybrides, où A est typiquement méthylammonium (CH3NH3+) ou formamidinium (HC(NH2)2+), B est plomb (Pb2+) ou étain (Sn2+), et X est un halogène comme l'iode, le brome ou le chlore.

Structure et composition cristallines

La structure perovskite cubique ou tétragonale est constituée d'un réseau de partage d'angle BX6 octahédra, le cation du site A occupant l'espace interstitiel. Le choix des ions A, B et X affecte de façon considérable les propriétés optoélectroniques du matériau. Par exemple, remplacer l'iode par du brome élargit le bandgap, déplaçant le bord d'absorption vers des longueurs d'onde plus courtes, caractéristique utile pour la conception de cellules tandem. La capacité d'ingénierie de la composition au niveau atomique est une raison clé pour laquelle les perovskites ont rapidement atteint des rendements de conversion de puissance (PCE) supérieurs à 25% en laboratoire, selon les données du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL).

Propriétés optiques et électroniques

Les semiconducteurs Perovskite présentent des coefficients d'absorption remarquablement élevés, soit plus de 105 cm–1; une couche de quelques centaines de nanomètres d'épaisseur peut absorber la plupart des rayons solaires. Ils possèdent également des longueurs de diffusion de longue charge (excédant 1 μm dans des films de haute qualité) et des taux de recombinaison non radiatifs faibles, permettant une extraction efficace de la charge.Cette combinaison est rare dans les matériaux traditionnels à film mince comme le telluride de cadmium ou le séléniure de cuivre indicium gallicum (CIGS).

Progrès récents dans les techniques de fabrication

Les innovations dans le secteur de la fabrication ont été essentielles pour déplacer les cellules solaires perovskite des curiosités des bancs vers des produits commerciaux viables. Le domaine a progressé par deux voies principales de fabrication : le traitement des solutions et le dépôt de vapeur, chacune présentant des avantages distincts pour l'évolutivité et la qualité du film.

Techniques basées sur la solution

Les méthodes de traitement des solutions, comme le revêtement par spin, le revêtement par slot-die et l'impression par jet d'encre, tirent parti de la solubilité des précurseurs de perovskite dans des solvants courants comme le diméthylformamide (DMMF) ou le diméthylsulfoxyde (DMSO). Le revêtement par spin produit des films de haute qualité sur de petits substrats (généralement <5 cm²) but is wasteful and unsuitable for mass production. Slot-die coating, in contrast, enables continuous deposition on flexible polymer or metal foil substrates at speeds exceeding 10 meters per minute. A 2021 study in Nature Energy[] a démontré des modules perovskite revêtus par slot avec une efficacité >16% sur une surface active de 200 cm2, un jalon important pour la fabrication par rouleau.

Dépôt de vapeur

Les méthodes à base de vapeur, notamment l'évaporation thermique, le dépôt chimique de vapeur (CVD) et le dépôt atomique de couches (ALD), assurent un contrôle supérieur de l'épaisseur et de l'uniformité des films, en particulier sur les surfaces texturées ou non planes. Dans l'évaporation thermique, les poudres précurseurs sont chauffées dans une chambre à vide, se condensant sur une couche de substrat par couche. Cette approche évite les défauts liés aux solvants et les ligands organiques résiduels qui peuvent endommager les films transformés en solution.

Intégration de la revêtement et du module à grande surface

Les chercheurs ont développé un revêtement à lame et un revêtement à guidage ménisque pour déposer des films perovskites uniformes sur des surfaces > 100 cm2. De plus, le revêtement par pulvérisation à ultrasons est devenu une méthode sans contact qui convient aux surfaces courbes ou inégales, comme les toits de véhicules. L'intégration de modules implique la comptabilisation au laser pour créer des interconnexions de série, un processus emprunté à la fabrication de silicium à film mince.

Avantages de performance sur le silicone

Les cellules solaires Perovskite offrent une combinaison de performances et de flexibilité que le silicium ne peut pas assortir, ouvrant de nouveaux domaines d'application et réduisant le coût de l'électricité (LCOE).

Étapes de l'efficacité et cellules d'enregistrement

Les cellules perovskite monojonction ont obtenu un PCE certifié de 25,7% (à partir de 2023), rivalisant avec les meilleures cellules monocristallines de silicium (29,1 %) mais avec un traitement beaucoup plus simple. Les appareils de laboratoire comptent souvent sur de petites zones actives (~0,1 cm2) et des couches de transport de charge avancées telles que le spiro-OMETAD ou SnO2. L'augmentation rapide de l'efficacité – de ~3,8 % en 2009 à >25% aujourd'hui – est sans précédent dans l'histoire photovoltaïque, comme le montre le tableau d'efficacité PV Magazine.

Flexibilité et conception légère

Contrairement aux wafers en silicium fragile (généralement de 150 à 200 μm d'épaisseur), les films perovskite peuvent être déposés sur des substrats en plastique mince jusqu'à 10 μm d'épaisseur, ce qui donne des cellules solaires flexibles qui pèsent aussi peu que 3 à 5 g par watt. Cette flexibilité permet l'intégration dans des surfaces courbes - murs de courbure, toits de voiture, ailes de drone, et même tissus portables. Une démonstration de 2024 de KAIST a montré un module perovskite flexible avec 18 % d'efficacité qui pourrait être roulé et déroulé 1 000 fois sans perte de performance.

Configurations Tandem et Multi-Junction

Perovskite bandgap thonability (de ~1,2 eV à ~2,3 eV) les rend idéales cellules supérieures en tandem architectures avec le silicium (bandgap ~1,1 eV) ou CIGS (bandgap ~1,0–1,7 eV). Les tandems à quatre terminaux empilés mécaniquement permettent une optimisation indépendante de chaque sous-cellule, tandis que les tandems monolithiques à deux terminales nécessitent une correspondance minutieuse du courant. Les travaux récents à l'Université technique du Danemark ont atteint l'efficacité de 29,5% dans un tandem monolithique perovskite/silicon en utilisant une cellule inférieure en silicium texturé et une couche supérieure en perovskite conforme déposée par revêtement de la lame.

Principaux défis à la commercialisation

Malgré des progrès rapides, il faut surmonter plusieurs obstacles techniques et économiques avant que les photovoltaïques perovskite ne puissent parvenir à une adoption généralisée du marché.

Stabilité dans des conditions mondiales réelles

Par exemple, l'iodure de plomb de méthylammonium (MAPbI3) subit une décomposition irréversible à 85°C en présence d'humidité, formant PbI2 et de méthylamine volatile. La stabilité opérationnelle est évaluée à l'aide de la norme 61215 de la Commission électrotechnique internationale (CEI) pour les modules de silicium, mais peu de modules de perovskite ont passé ces essais rigoureux. Les stratégies visant à améliorer la stabilité comprennent l'ingénierie de composition (addition de césium ou de cations de rubidium), la passivation des défauts avec des molécules organiques, et l'utilisation de couches de transport de charge hydrophobe. L'encapsulation avec des barrières verre-verre et des scellants de bord, semblables à ceux utilisés dans les LED, peut bloquer l'entrée d'humidité.

Préoccupations environnementales et sanitaires

Les cellules perovskite les plus efficaces contiennent du plomb, soulevant des problèmes de toxicité pour la fabrication, l'installation et l'élimination en fin de vie. Le plomb peut se lessiver dans le sol et les eaux souterraines si les panneaux sont brisés ou ne sont pas recyclés correctement. Les chercheurs explorent des solutions de remplacement sans plomb comme les perovskites à base d'étain (par exemple, FASnI3), les composés à base de bismuth ou les perovskites doubles comme Cs2AgBiBr6. Cependant, les perovskites à base d'étain souffrent d'oxydation rapide (Sn2+ → Sn4+) et d'une efficacité moindre (~14% PCE).

Scalabilité et rendement de la fabrication

La transition des cellules de laboratoire de petite superficie (0,1 cm2) aux modules de taille commerciale (1 m2) introduit des problèmes de densité et d'uniformité qui réduisent significativement l'efficacité, un écart de 5 à 10 % par rapport à l'échelle. Le revêtement en rouleau sur substrats flexibles est confronté à des défis avec le contrôle de la tension du web et la nucléation des défauts. Le dépôt de vapeur offre une meilleure uniformité mais entraîne des coûts en capital élevés pour les équipements sous vide.

Orientations futures et perspectives du marché

L'avenir de la production photovoltaïque de perovskite dépendra de l'innovation continue dans les matériaux, la fabrication et l'intégration des systèmes.

Perovskites alternatifs stables et sans plomb

Les alliages à plomb d'étain (par exemple, FA0,75Cs0,25Sn0,5Pb0,5I3) ont atteint un rendement de >23% en tandem en réduisant le bandgap à ~1,2 eV. Doubles perovskites avec formule générale A2B="B="X6, où B=" est un cation monovalent (Ag+) et B=" est un cation trivalent (Bi3+), montrent des promesses pour des cellules stables non toxiques mais actuellement <5 % d'efficacité. Une autre avenue est les perovskites de 2D Ruddlesden-Popper, qui intègrent des cations organiques volumineux pour former une structure stratifiée avec une résistance à l'humidité accrue; les gains d'efficacité ont atteint 18% dans les films 2D orientés.

Essais avancés d'encapsulation et de fiabilité

Pour garantir une durée de vie de 25 ans, l'encapsulation doit bloquer les vitesses de transmission de vapeur d'eau inférieures à 10 à 4 g/m2/jour, comparables aux photovoltaïques organiques.Les chercheurs développent des couches de barrière inorganiques (Al2O3, SiOx) par ALD, et des stratifiés hybrides organiques-inorganiques. Les essais de contrainte combinés (léger, chaleur, humidité, biais) deviennent des standards pour accélérer les mécanismes de défaillance.L'adaptation IEC 61215 pour les modules perovskite (IEC TS 62827) comprend un essai de chaleur humide (85°C, 85 % HR) et un cycle thermique.

Adoption par l'industrie et projections du marché

Plusieurs entreprises ont annoncé des lignes de production pilotes : Oxford PV prévoit de commencer la fabrication de cellules tandem à son usine de Brandebourg en 2025, ciblant une capacité annuelle de 1 GW. Saule Technologies en Pologne se concentre sur des modules flexibles et légers pour les applications Internet des objets (IoT) et hors réseau. D'autres acteurs notables sont CubicPV, Perovskia Solar et Swift Solar. Selon un rapport de 2024 de l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire, les modules perovskite pourraient atteindre des coûts de fabrication inférieurs à 0,20 $/W d'ici 2030, sous-cotation du silicium à 0,25 $/W. Le marché mondial des photovoltaïques à minces films (y compris les perovskites) devrait atteindre 15 milliards de dollars d'ici 2030, sous l'impulsion de BIPV, d'électroniques portables et d'usines tandem à échelle utilitaire.

Voies de production de Gigawatt-Scale

L'augmentation des niveaux de gigawatts nécessite des investissements dans des lignes automatisées de désenfumage ou d'évaporation avec des largeurs > 1 mètre, couplées à la métrologie en ligne (par exemple, cartographie de photoluminescence pour la détection des défauts). Le coût des matériaux précurseurs perovskite (surtout FAI et PbI2) est actuellement supérieur à la charge d'alimentation en silicium, mais les prix chuteront avec le volume.

Conclusion

Avec des rendements records, des facteurs de forme flexibles et le potentiel de fabrication à faible coût, les perovskites, en particulier en combinaison avec le silicium, offrent une voie claire pour réduire le coût de l'électricité solaire. La recherche continue sur la stabilité, les alternatives sans plomb et le revêtement à grande surface détermineront le rythme de commercialisation.