« Les Pérovskites ne suivent pas les lois habituelles »

Les cellules solaires à pérovskite sont depuis longtemps considérées comme des candidats prometteurs pour l’approvisionnement énergétique futur : elles peuvent être fabriquées à moindre coût et leur efficacité a augmenté de plus de 25 % ces dernières années. Mais le chemin vers la préparation industrielle s’est jusqu’à présent révélé difficile, car les couches de pérovskite résistent difficilement aux influences environnementales et ne sont pas suffisamment durables pour être utilisées à grande échelle. Thomas Kirchartz du Centre de recherche de Jülich explique dans une interview avec World of Physics comment lui et son équipe aimeraient aider les cellules solaires à pérovskite à réaliser une percée.

Monde de la physique : Qu’est-ce qui rend les cellules solaires à pérovskite si intéressantes ?

Thomas Kirchartz : La particularité de ce matériau est que de telles cellules solaires peuvent être imprimées. Pour ce faire, vous placez une certaine encre sur un substrat à température ambiante, puis vous la chauffez un peu. Le matériau imprimé devient alors noir et forme une couche de pérovskite absorbant la lumière, qui constitue la partie essentielle de la cellule solaire. Cela permet de produire des cellules solaires environ 500 fois plus fines que les cellules solaires au silicium conventionnelles. La fabrication est également nettement plus facile et plus rapide. Néanmoins, ils atteignent un niveau d’efficacité similaire, c’est-à-dire qu’ils convertissent une proportion similaire de l’énergie solaire irradiée en énergie électrique. Une autre idée consiste à rendre les cellules solaires conventionnelles encore plus efficaces grâce à une couche de pérovskite.

Pourquoi les cellules solaires à pérovskite sont-elles encore peu représentées sur le marché ?

Le gros problème des cellules solaires à pérovskite est qu’elles ne sont pas suffisamment stables chimiquement. Une cellule solaire doit être capable de résister au vent, aux intempéries et aux rayons UV du soleil pendant des années. La chaleur de midi en été et le froid en hiver sont tout aussi stressants que l’humidité, la grêle et d’autres influences environnementales. Mais les pérovskites ne sont pas encore suffisamment durables pour être largement utilisées. Mais un travail intensif est mené dans ce domaine à l’échelle mondiale. Un autre point est que nous souhaitons améliorer encore les propriétés électroniques et donc l’efficacité. La pérovskite fait référence à toute une classe de matériaux contenant un grand nombre de composés chimiques.

De quoi dépend l’efficacité ?

Lorsque la lumière du soleil tombe sur une cellule solaire, c’est-à-dire sur un matériau semi-conducteur, il se produit ce qui suit : Dans le matériau, les électrons sont expulsés de ce que l’on appelle la bande de valence et transportés dans la bande de conduction. La bande de valence contient des électrons liés à leurs atomes et ne peuvent pas se déplacer librement dans le matériau. La bande de conduction, quant à elle, contient les électrons libérés, qui migrent à travers le matériau et peuvent ainsi atteindre les contacts électriques. Plus les électrons libérés peuvent voyager longtemps à travers le matériau, plus grandes sont leurs chances d’atteindre les contacts électriques et de contribuer au flux de courant souhaité. Une limitation importante et fondamentale des cellules solaires est que les électrons libres disparaissent au préalable de la bande de conduction et sont à nouveau capturés dans le matériau. Nous étudions donc combien de temps les électrons peuvent migrer librement, c’est-à-dire quelle est la durée de vie des électrons libres dans la bande de conduction. Si nous comprenons mieux ces propriétés des pérovskites, nous pourrons, espérons-le, obtenir de meilleures efficacités.

Comment peut-on enquêter sur cela ?

La durée de vie peut être mesurée de différentes manières. En principe, vous avez besoin d’une observable proportionnelle à la densité des électrons. C’est pourquoi la photoluminescence est souvent utilisée. Ils peuvent être mesurés relativement facilement à l’aide d’un certain type de détecteur, qui s’apparente à une version compliquée de l’appareil photo numérique que tout le monde possède dans son téléphone portable. Cela implique de tirer un laser pulsé sur l’échantillon, c’est-à-dire la cellule solaire ou une couche de pérovskite. Vous mesurez ensuite la façon dont l’intensité de la photoluminescence diminue au fil du temps après l’impulsion laser. Vous répétez la mesure très fréquemment pendant plusieurs heures, environ 1 000 fois par seconde, jusqu’à ce que vous disposiez de suffisamment de données de mesure. Au total, nous avons effectué des millions de mesures individuelles.

Qu’ont révélé ces mesures ?

Si vous savez à quelle vitesse la photoluminescence décroît, vous savez également à quelle vitesse les électrons sont à nouveau capturés dans le matériau. Cependant, selon nos mesures, les pérovskites ne suivent pas les lois mathématiques habituelles connues de la plupart des semi-conducteurs. Les soi-disant défauts du matériau, qui surviennent inévitablement dans tous les semi-conducteurs lors de la production, sont souvent responsables de la nouvelle capture d’électrons libres. Nos mesures suggèrent que cet effet ne semble pas aussi fort pour les pérovskites que pour les semi-conducteurs conventionnels. Les électrons sont ainsi mieux protégés contre une nouvelle capture dans le matériau. Cela pourrait également expliquer le rendement élevé de ce type de cellule solaire. Si nous parvenons à optimiser davantage ce comportement, il devrait être possible de développer à l’avenir des cellules solaires encore meilleures.