De nouvelles cellules solaires enflamment la recherche

Leur nom semble sorti de la mythologie russe ou de l’épopée de Superman. Il n’en est rien. Les “pérovskites hybrides”(1) sont des matériaux créés par des chimistes dans les années 1980, à partir d’un cristal présent dans certaines roches. Cette poudre chamboule aujourd’hui le monde de la recherche photovoltaïque. Jusqu’à présent, les pérovskites hybrides étaient utilisées pour créer des diodes électroluminescentes. Ces diodes sont les sources de lumière que l’on trouve partout, dans le rayon laser qui lit les CD, les téléviseurs haute définition, l’éclairage public du futur. Leur principe est simple : on injecte des électrons pour obtenir des photons.

« Les diodes qui utilisent des pérovskites hybrides sont plus efficaces que les semi-conducteurs classiques, comme le silicium, explique Jacky Even, professeur à l’Insa, dans l’équipe OHM(2) du laboratoire Foton(3). Il suffit d’injecter dans ce matériau une quantité d’électricité cent fois plus faible pour produire la même quantité de lumière !» Les pérovskites sont étudiées à Rennes depuis 2009(4), pour leurs propriétés électriques et lumineuses exceptionnelles. Et c’est un matériau bon marché. Parallèlement à ces recherches, le laboratoire étudie les cellules photovoltaïques à base de silicium. Quelle différence entre une diode et une cellule solaire ? L’une reçoit des électrons et produit des photons, l’autre fait l’inverse. Mais si un matériau est performant dans un sens, il l’est dans l’autre. Les chercheurs suisses et anglais Michael Grätzel et Henry Snaith l’ont compris en 2012 : ils ont été les premiers à utiliser des pérovskites hybrides pour fabriquer des cellules solaires innovantes.

Tout commence en 1991, quand le chimiste Michael Grätzel, professeur à l’École polytechnique fédérale de Lausanne, invente de nouvelles cellules photovoltaïques. Les “cellules Grätzel” n’utilisent pas du silicium, mais du dioxyde de titane. « Ces cellules à bas coût, dont les technologies sont simples, sont très intéressantes, explique Jacky Even. Mais leur rendement est longtemps resté inférieur à 10 % : dix photons produisent au mieux un seul électron. » En 2012, Michael Grätzel(5) a l’idée d’intégrer d’une façon originale des pérovskites dans ces cellules. « Nous étions tous restés sur l’idée qu’avec les pérovskites hybrides, nous ne pouvions pas récupérer des électrons à partir de la lumière, poursuit Jacky Even. Dans les années 90, des chercheurs avaient fait une multitude d’essais ! Un verrou technologique venait d’être levé. J’ai lu la publication de Michael Grätzel dans Science en octobre 2012, je me suis dit : il faut qu’on aille sur ce sujet. »

Un rendement de 20 %
À Lausanne et à Oxford, l’intégration des pérovskites fait décoller le rendement des cellules. De 6 % en 2011, il atteint 12 % à la fin de 2012, puis 15 % en 2013. En mai 2014, des chercheurs coréens décrochent le record du rendement de ces cellules, appelées désormais “cellules pérovskites” : 20 % ! Un chiffre ahurissant, obtenu avec un matériau à bas coût, facile à fabriquer à basse température. « Ces expérimentations vont très vite, mais les mécanismes à l’origine des performances ne sont pas bien connus. » C’est ici qu’intervient le laboratoire Foton, dont la connaissance des pérovskites hybrides, d’une part, et des cellules photovoltaïques, d’autre part, s’avère précieuse. Physicien théoricien, Jacky Even décortique en 2012 les phénomènes physiques et rédige deux articles scientifiques(6) qui feront date. Laurent Pedesseau, physicien des matériaux à Foton, et Claudine Katan, chercheuse CNRS à l’ISCR(7), sont les autres artisans de ces avancées. Cette connaissance des mécanismes aux échelles micro- et nanoscopiques est indispensable pour les expérimentateurs, s’ils veulent dépasser les 25 % de rendement.

Les Français dans la course
Jacky Even intervient en 2013 à la Fédération CNRS de recherche photovoltaïque(8), qui réunit les laboratoires publics et les industriels. Un consortium est monté autour des cellules pérovskites, qui associe Foton, l’ENS Cachan, le CEA, l’École polytechnique et l’Institut de recherche et développement sur l’énergie photovoltaïque (Irdep, EDF-CNRS), pour explorer la viabilité d’une filière. « Des résultats scientifiques majeurs ont été obtenus ailleurs. Mais les Français peuvent être dans la course, aux niveaux technologique et industriel. » Le consortium vient de soumettre trois projets, notamment avec des laboratoires allemands et japonais, à l’Agence nationale de la recherche. Pour remporter les prochaines étapes dans la course mondiale autour de l’énergie photovoltaïque.