Des chercheurs de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), en Suisse, ont expérimenté un moyen de rendre les cellules photovoltaïques à pérovskite plus « propres ». Ce matériau – présent dans la nature (CaTiO3) mais synthétisé sous des formes hybrides – confère de nombreux avantages pour le photovoltaïque, dont un procédé à bas coût et un rendement supérieur au silicium seul. Cependant, la présence de plomb potentiellement soluble dans l'eau remettait jusqu'ici en question son utilisation à grande échelle.
Un complément avantageux
Comme nous l'explique Malek Benmansour, chef de laboratoire au département des technologies solaires de l'Institut national de l'énergie solaire (Ines), la pérovskite est généralement synthétisée, avec un mélange d'halogénures à base de plomb (comme la forme CH3NH3PbI3), par voie humide. Ensuite, elle est « recuite » à des températures avoisinant les 100°C. Elle est enfin déposée en couche mince, de 300 à 600 nanomètres d'épaisseur, comme « surplus de porteurs de charge ».
Ajoutée ainsi au silicium dans les cellules photovoltaïques, elle participe à former un dispositif en tandem : « la pérovskite permet d'avoir des tensions électriques en sortie plus importantes que le silicium seul. Montés en série, leurs tensions s'additionnent et dépassent le rendement théorique du silicium, autour de 28 %. » Le record actuel, en laboratoire sur une surface photovoltaïque de 1 cm2, se situerait, en moyenne, autour de 29,5 % – voire jusqu'à 33 %. En plus de son rendement supérieur, la pérovskite a l'avantage d'être facilement exploitable, profitant des chaînes industrielles préexistantes de production des panneaux en silicium, souligne le chercheur.
Néanmoins, le déploiement sur une grande surface uniforme, sans perte de performance, constitue un frein sur lequel travaille de multiples équipes de recherche. Le plomb composant la pérovskite en est un autre. « La formulation actuelle ne comprend qu'un gramme par m2 de plomb – soit sept fois moins que dans les panneaux actuels – à la différence que celui-ci est soluble dans l'eau », précise Malek Benmansour.
La toxicité de la pérovskite
Il suffit qu'un panneau se brise ou subisse de fortes précipitations pour extraire le plomb et le propager ensuite dans le sol. « Le plomb [est] un poison, explique le professeur László Forró, co-auteur de l'étude publiée le 15 juillet dans la revue ACS Applied Materials & Interfaces (1) . Si le panneau solaire tombe en panne, le plomb peut être lessivé dans le sol, entrer dans la chaîne alimentaire et provoquer de graves maladies. » Cette propriété potentiellement toxique rend jusqu'ici difficile l'approbation de la fabrication de cellules photovoltaïques à pérovskite à grande échelle et à des fins commerciales. Outre les normes déjà en vigueur auxquelles cette fabrication est soumise, la toxicité éventuelle de la pérovskite pose problème en termes « d'acceptabilité sociale », atteste Malek Benmansour.
« Si nous n'avons pas remplacé le plomb pour le moment comme cation, par notamment de l'étain moins performant et plus toxique pour l'environnement, c'est parce que nous n'avions pas de meilleures alternatives, nous confie le chercheur de l'Ines. Sinon, ça ferait longtemps qu'on aurait déployé des cellules photovoltaïques à pérovskite sans plomb. L'alternative du piégeage, si elle n'impacte pas les performances, peut ouvrir la voie. »
Une solution salée, pour piéger le plomb
Pour éviter les problèmes environnementaux liés au plomb sans nuire aux performances des panneaux solaires, le professeur László Forró et ses collègues chimistes ont donc opté pour un sel de phosphate transparent ((NH4)2HPO4), « qui ne bloque pas la lumière solaire ». Adjoint à la pérovskite de base plomb-halogénures, le sel va réagir immédiatement avec le plomb, si jamais celui-ci est libéré. Il produit alors un composé insoluble dans l'eau, qui ne peut être lessivé.
« Il y a quelques années, nous avons découvert que des cristaux de sel de phosphate transparents et bon marché, comme ceux que l'on trouve dans les engrais du sol, peuvent être incorporés dans diverses parties des dispositifs à base de pérovskite aux halogénures de plomb en sandwich, tels que les photodétecteurs, les LED ou les cellules photovoltaïques, détaille Endre Horváth, co-auteur de l'étude. Ces sels réagissent instantanément avec les ions plomb en présence d'eau et les précipitent en phosphates de plomb extrêmement peu solubles dans l'eau. » A l'avenir, ce procédé chimique « à sécurité intégrée » pourrait donc rendre l'utilisation de dispositifs à pérovskite plus sûr. Malek Benmansour de l'Ines confirme : « C'est un travail excellentissime qu'a mené l'équipe suisse ».
