Source: The Conversation – France in French (2) – By Claudine Katan, Directrice de Recherche, physicienne, Centre national de la recherche scientifique (CNRS)
Grâce aux panneaux solaires en silicium, l’électricité d’origine photovoltaïque est aujourd’hui disponible à faible coût. Pour aller plus loin – récolter plus d’énergie sur les mêmes surfaces pour des coûts réduits, produire plus localement – les scientifiques développent de nouveaux matériaux. Parmi eux, les « pérovskites » sont modulables et compatibles avec le silicium, ce qui les rend particulièrement prometteurs. Où en sont ces nouvelles technologies ? Quel chemin leur reste-t-il à parcourir ?
La filière du silicium est le leader du marché mondial des technologies photovoltaïque, avec 98 % des panneaux vendus. Grâce aux progrès dans le domaine, on dispose aujourd’hui d’électricité solaire déployable à faible coût dans la grande majorité des pays à travers le monde.
La montée en puissance des énergies renouvelables, avec en chef de file celle fondée sur la conversion directe de l’énergie solaire en électricité, légitime encore aujourd’hui le développement de nouvelles technologies photovoltaïques alliant frugalité, efficacité et longévité. Il s’agit d’augmenter encore les rendements de conversion et de minimiser les coûts (impact environnemental, prix de la fabrication, du transport, de l’installation, du recyclage), mais aussi de pouvoir garantir une durée de vie acceptable pour le fabricant, le consommateur et l’environnement.
Une des filières émergentes explorées par des chercheurs, start-up et industriels est celle exploitant les matériaux « pérovskites ». Dans cette communauté en ébullition, diverses stratégies sont développées pour allier de forts rendements et une longue durée de vie.
Dans nos études les plus récentes menées avec nos collaborateurs et publiées dans Science et Nature Synthesis, nous combinons plusieurs approches. La robustesse des nouvelles structures pérovskites est testée dans des conditions d’éclairement drastiques, simulant jusqu’à 15 fois la puissance du soleil. Ces résultats marquent une étape importante qui permet d’envisager de transposer les résultats en laboratoire à des produits industriels.
Le silicium, roi du marché, et les filières émergentes
Alors même que le silicium est devenu un matériau stratégique au cœur de nombreuses technologies électroniques, il risque de devenir une matière première critique (qui présente un risque d’approvisionnement). C’est tout particulièrement le cas en Europe, car la dernière fonderie de silicium active pourrait arrêter sa production, faute de pouvoir résister à la Chine en situation de surcapacité.
Parmi les filières photovoltaïques émergentes, celle des pérovskites fait la course seule en tête, car elle a rejoint en termes de performances (pour des cellules de laboratoire de petite surface, inférieures à un centimètre carré) la filière silicium avec des rendements certifiés supérieurs à 27 %. Les matières premières nécessaires sont disponibles en Europe.
Un de ses principaux atouts est d’être compatible avec les panneaux solaires silicium traditionnels, car ces deux technologies absorbent la lumière du soleil de façon complémentaire. Ainsi, en empilant une cellule silicium et une cellule pérovskite, on obtient une unique cellule dite « tandem » – qui dépasse aujourd’hui les 35 % pour des tandems de laboratoire et 27 % pour des modules de plus de 14 000 centimètres carrés (l’équivalent de panneaux carrés de 1,2 mètre de côté), permettant aux industriels – y compris en France — d’envisager sérieusement leur commercialisation.
En augmentant l’électricité produite pour une même surface de panneaux solaires, s’ouvre une perspective de retours sur investissements beaucoup plus rapides, qui pourrait encore booster le déploiement du photovoltaïque.
C’est pourquoi Daniel Lincot, membre de l’Académie des technologies et fervent défenseur de l’énergie solaire pour la transition énergétique et écologique, n’hésite pas à dresser un parallèle avec l’augmentation énorme et inattendue des vitesses des bateaux à voile au cours des dernières décennies grâce à l’ajout de surfaces portantes immergées (foils), en disant « les pérovskites sont les foils du silicium ».
Si le potentiel des matériaux pérovskites pour augmenter fortement les rendements des dispositifs photovoltaïques en silicium n’est désormais plus à démontrer, une dégradation rapide des performances en fonctionnement de ces nouvelles cellules et panneaux solaires est le verrou principal empêchant les pérovskites d’entrer sur le marché des panneaux solaires. Pour le lever, les scientifiques développent différentes stratégies pour mieux organiser la matière à l’échelle microscopique.
Les matériaux pérovskites : des promesses, des prouesses… et des défis
Le terme générique pérovskite désigne une structure cristalline caractéristique à l’échelle atomique avec des octaèdres partageant leurs sommets formant un réseau tridimensionnel (3D). La composition chimique des matériaux présentant cette structure varie avec notamment le titanate de calcium, un minéral découvert dès 1839 en milieu naturel et qui comprend des atomes d’oxygène (en bleu sur l’image).
Les compositions pertinentes pour le photovoltaïque et reconnues comme une nouvelle classe de semiconducteurs, sont, quant à elles, synthétiques (c’est-à-dire fabriquées par les chimistes) : l’oxygène est par exemple substitué par l’iode alors que le plomb (couleur or) occupe le centre de l’octaèdre, tandis qu’un atome tel que le Césium, ou une petite molécule organique (en rose) perd un électron (on parle de cation inorganique ou organique) et s’insère dans la cavité de la structure cristalline entre les octaèdres.
Si ce cation est trop petit ou au contraire trop volumineux, le réseau préfère adopter une autre structure cristalline qui n’aura pas les propriétés requises pour produire et conduire ensuite le courant électrique au sein d’une cellule solaire. Ceci se traduit par un changement de couleur, le matériau passant de la phase pérovskite semi-conductrice dite « noire », et donc fortement absorbante pour les longueurs d’onde visibles du spectre solaire (inférieures à 0,8 micromètre), à une phase non-pérovskite dite « jaune », signe que la gamme d’énergie des photons du soleil que le matériau est capable d’absorber est beaucoup plus restreinte (inférieures à 0,5 micromètre).
Ce changement de couleur est également observé lorsque le matériau pérovskite se dégrade, ce qui réduit fortement l’efficacité de conversion de l’énergie solaire. Depuis une dizaine d’années, la communauté de recherche s’efforce donc de comprendre les mécanismes de dégradation — et bien sûr, de les circonscrire.
Les dernières avancées pour des matériaux pérovskites efficaces et plus stables
Une des principales stratégies pour augmenter l’efficacité de conversion exploite des matériaux pérovskites qui sont en fait des mélanges de différents types de pérovskites synthétiques 3D. Malheureusement, ces alliages sont sujets à des phénomènes de démixtion et/ou à des déformations du réseau cristallin, notamment sous irradiation lumineuse – ce qui conduit à une dégradation irréversible. De plus, certaines de ces compositions 3D sont très sensibles à l’humidité. Enfin, on observe aussi des problèmes de stabilité à l’échelle du dispositif (cellule et panneau solaire), particulièrement en conditions opérationnelles (sous irradiation lumineuse ou lorsqu’un courant traverse la cellule solaire).
Au sein de la communauté internationale, plusieurs stratégies ont été inventées pour pallier ces problèmes. Par exemple, l’ingénierie des ligands a pris une place prépondérante avec l’exploration de divers acides qui viennent « passiver » les interfaces (c’est-à-dire empêcher la formation de « défauts » qui capturent les électrons et limitent donc la génération d’un courant électrique).
Un autre exemple est la « stratégie du millefeuille », explorée dès les années 90 : il s’agit d’une alternance périodique où la crème correspond à la couche organique et la pâte à la couche pérovskite. Des cellules solaires contenant ces pérovskites lamellaires ont atteint dès 2016 des stabilités record en fonctionnement.
En associant des pérovskites 2D (millefeuille) et 3D au sein d’une même cellule solaire, on combine la stabilité des premières aux rendements de conversion record des deuxièmes. En particulier, un design basé sur une ingénierie très poussée des hétérostructures 2D/3D a représenté l’état de l’art en 2022 et en 2024 en matière de stabilité pour une cellule solaire pérovskite en fonctionnement.
Aujourd’hui, nos tout derniers travaux publiés en ce printemps 2026 dans Science nous rapprochent encore plus de la stabilité requise en vue d’une commercialisation. En comprenant par quel chemin le matériau pérovskite synthétique passe de la phase noire à la phase jaune, l’ajout d’un additif spécifique a permis de soumettre les cellules 2D/3D à des tests encore plus drastiques : un flux lumineux équivalent à 15 soleils !
En parallèle, la fabrication récente de pérovskites 2D multicouches ne présentant aucune distorsion structurale et permettant un transfert des charges électriques générées par le soleil sur des distances records (au-delà de 2 micromètres, de l’ordre de 2 à 3 fois le diamètre d’un cheveu) permet pour la première fois d’envisager des dépôts de couches 2D et 3D avec des épaisseurs similaires de l’ordre de 300 à 500 nanomètres. Une telle épaisseur pour la partie 2D représente une barrière robuste à la pénétration d’espèces chimiques qui autrement risqueraient de détériorer la structure. Avec une couche épaisse, la partie 2D pourra aussi contribuer à la production d’électricité. De plus, les dernières couches 2D synthétisées possèdent des seuils d’absorption en énergie suffisamment bas pour qu’il soit envisageable de les tester en association avec le silicium dans des structures tandem en s’affranchissant totalement de la partie 3D.
Le projet SURFIN (ANR-23-CE09-0001) est soutenu par l’Agence nationale de la recherche (ANR), qui finance en France la recherche sur projets. L’ANR a pour mission de soutenir et de promouvoir le développement de recherches fondamentales et finalisées dans toutes les disciplines, et de renforcer le dialogue entre science et société. Pour en savoir plus, consultez le site de l’ANR.
Claudine Katan est membre du GDR HPERO.
George Volonakis a reçu des financements de l’Agence national de la recherche pare le projet de CPJ et le projet SURFIN (ANR-23-CE09-0001).
Jacky Even est membre du GDR HPERO et a reçu des financements de l’institut universitaire de France.
Aditya Mohite ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d’une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n’a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.
– ref. Photovoltaïque : les dernières avancées des « pérovskites », la filière émergente qui voudrait booster le silicium – https://theconversation.com/photovolta-que-les-dernieres-avancees-des-perovskites-la-filiere-emergente-qui-voudrait-booster-le-silicium-280612