Des cellules solaires en pérovskites qui s’auto-réparent

Ces dernières années, les rendements des cellules photovoltaïques en pérovskite ont explosé. De quoi les propulser au rang d’alternative de plus en plus sérieuse à celles en silicium qui dominent toujours le marché. Cependant, ces cellules de nouvelle génération se heurtent encore à un certain nombre de verrous, parmi lesquels leur manque de stabilité. Mais une réponse à ce problème semble avoir été trouvée par des chercheurs rennais.

Les performances des pérovskites diminuent lorsque celles-ci sont exposées au soleil. Un comble pour des matériaux que les chercheurs espèrent voir un jour se substituer au silicium au cœur des panneaux photovoltaïques ! Mais, selon une collaboration franco-américaine, incluant deux chercheurs du CNRS – Claudine Katan – et de l’INSA – Jacky Even – de Rennes, le problème pourrait se résoudre (presque) de lui-même. Leurs travaux, publiés dans la revue Nature Communications, révèlent en effet que les pérovskites s’auto-réparent et qui plus est, très rapidement. Pour obtenir cet effet, il suffit… de plonger les cellules dans le noir. Et les chercheurs français ont même leur petite idée sur le phénomène physique qui se cache derrière.

Les pérovskites, à l’image des nanotubes de carbone ou du graphène, sont de ces matériaux – à structure cristalline – qui ont le don d’exciter la curiosité des scientifiques de par leurs propriétés remarquables. Pourtant, les premières études japonaises publiées à ce sujet en 2009 faisaient état d’un rendement photovoltaïque ne dépassant pas les 3,8 %. En 2012, des chercheurs suisses et anglais parvenaient à exploiter un peu mieux leurs qualités photovoltaïques et obtenaient des rendements qui, tout de même, atteignaient péniblement les 12 %. Quatre ans plus tard, ceux-ci dépassent les 22 %. De quoi venir titiller le silicium qui reste l’acteur principal du marché photovoltaïque et dont le rendement moyen se situe autour des 25 % – même si les records affichent plus de 45 %.

L’intérêt pour les pérovskites est d’autant plus grand qu’elles sont faciles à fabriquer et à mettre en œuvre. Ainsi, le silicium demande à être porté à quelque 3.000°C. Les pérovskites, en revanche, peuvent être mises en forme à température ambiante et à l’aide du procédé relativement simple dit d’enduction centrifuge (spin coating). De quoi réduire drastiquement les coûts de production des cellules photovoltaïques.

Cellules perovskites

Les cellules pérovskites pourraient prochainement remplacer les cellules photovoltaïques à base de silicium dans les panneaux solaires. Des chercheurs seront réunis à Rennes, ces 17 et 18 mai, pour en débattre – parmi d’autres sujets – à l’occasion des 2e Journées Pérovskites Hybrides.

Néanmoins, pour qu’une filière pérovskite puisse se développer au niveau industriel, il faudra faire sauter quelques verrous. Et pas des moindres. Car il a été observé que les performances des cellules pérovskites se dégradent sous illumination, c’est-à-dire en condition réelle d’utilisation. Elles sont également très sensibles à l’humidité. C’est donc au premier de ces aspects que s’est intéressée la collaboration franco-américaine. Les équipes américaines de Los Alamos ont d’abord travaillé à la mise au point d’une technique permettant d’obtenir des matériaux d’une qualité intrinsèque telle qu’elle évacue les dégradations irréversibles qui avaient pu être observées par le passé.

Restait alors à étudier un autre phénomène de dégradation observé au cours de l’étude. Les chercheurs américains ont en effet noté un phénomène de dégradation des performances sous irradiation à l’échelle de l’heure. Mais aussi un phénomène de récupération spontanée de ces performances lorsque la cellule est plongée dans le noir pour seulement une minute. Ils ont également observé que les performances du dispositif pouvaient être maintenues si celui-ci était conservé à une température de 0°C. Ce sont alors les compétences théoriques et les capacités d’interprétation des propriétés physiques de l’équipe française qui ont été mobilisées.

Dans leur étude, les chercheurs se sont intéressés à une pérovskite dite hybride, car elle est constituée à la fois d’un réseau d’atomes inorganiques et de petites molécules organiques. Pour être plus précis, ils se sont intéressés à la pérovskite organométallique de formule chimique CH3NH3PbI3. Une à une, ils ont éliminé bon nombre d’hypothèses avant de s’arrêter sur la proposition suivante : le mécanisme d’autoréparation des pérovskites serait dû à la formation de polarons.

Cellule perovskite MEB

Vue en coupe par microscopie électronique à balayage d’un empilement multicouche au sein d’une cellule pérovskite. On y distingue de gros grains qui permettent d’éviter les dégradations irréversibles souvent observées par le passé dans ce type de matériaux. (Source : Los Alamos National Laboratory)

Les polarons correspondent à des charges électriques habillées, ou comme prises dans une toile d’araignée. Les atomes et les molécules du matériau ont tendance à venir se coupler à ces polarons dans une sorte de mouvement concerté. Il se crée alors, au cœur du matériau, des zones chargées qui ralentissent les charges électriques nues et dégradent ainsi le courant électrique produit par la cellule. Or, plonger une cellule pérovskite dans le noir permet de déshabiller ou de couper les fils des toiles d’araignée. Le tout sans qu’il n’y ait dégradation physique du matériau puisque le phénomène se limite finalement à un simple couplage.

Aujourd’hui, l’hypothèse proposée par les chercheurs français n’est que partiellement validée. Car le phénomène est particulièrement délicat à mettre en évidence expérimentalement. Mais Jacky Even annonce déjà une nouvelle avancée à paraître dans le courant du mois de juin, dans un article lui aussi publié dans les colonnes de la revue Nature. Un article présentant une pérovskite hybride qui échappe totalement à ce type de phénomène de dégradation !

Source : Futura-Sciences

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