Cellules solaires pérovskites à haut rendement et faible coût : progrès, défis et perspectives futures

Résumé

Face à une crise énergétique mondiale croissante, les sources renouvelables deviennent de plus en plus critiques. L'énergie solaire, abondante et peu coûteuse, reste le candidat le plus prometteur. Malgré des décennies de progrès dans les dispositifs photovoltaïques (PV) haute performance, le coût élevé des modules limite leur déploiement à grande échelle. Au cours de la dernière décennie, la demande de cellules solaires rentables a accéléré la recherche sur l'ensemble du spectre PV. Cette revue se concentre sur les récentes percées dans les cellules solaires pérovskites (PSC) à faible coût et haut rendement, résumant les développements clés et les résultats de pointe.

Introduction

Aujourd'hui, environ 85 % de la consommation énergétique mondiale provient des combustibles fossiles, contribuant à la dégradation environnementale et aux risques sanitaires. Les projections estiment que la demande énergétique mondiale doublera d'ici 2050 [1]. En réponse, l'énergie renouvelable — éolien, hydroélectrique et solaire — est devenue une priorité urgente. En 2014, les ajouts de capacité de génération basés sur les renouvelables ont atteint 128 GW, avec l'éolien à 37 %, le solaire à ~33 % et l'hydroélectrique au-dessus de 25 % [Fig. 1a]. Le faible coût et le respect de l'environnement de l'énergie solaire ont stimulé des avancées rapides dans la recherche PV.

a Ajouts de capacité de puissance renouvelable par type et part des ajouts totaux [60]. b Évolution rapide du PCE des cellules solaires pérovskites de 2009 à 2016.

Les technologies PV sont traditionnellement classées en trois générations : première génération à base de wafers (mono-c-Si, mc-Si), deuxième génération à couches minces (a-Si, CdTe, CIGS, CuGaSe), et troisième génération multi-jonctions, organiques, à colorants sensibilisés et à points quantiques [2]. Bien que le PV silicium soit mature, les gains d'efficacité incrémentiels sont limités. Les cellules III-V atteignent de hauts rendements mais à un coût prohibitif [7–9]. Les cellules à points quantiques promettent faible coût et haute performance, mais beaucoup reposent sur des métaux lourds toxiques [10–12]. Les pérovskites halogénées ont émergé comme un matériau transformateur à faible coût, avec des rendements passant de 3,8 % en 2009 à 22,1 % en 2016 [13–16]. Néanmoins, la stabilité à long terme reste un obstacle à la commercialisation.

Cette revue décrit l'historique des PSC, les récentes percées d'efficacité, les défis de stabilité et les stratégies d'ingénierie d'interface.

Principe et Historique des PSC

Les PSC combinent les avantages de faible coût et haut rendement des cellules solaires à colorants sensibilisés (DSSC) avec des absorbeurs pérovskites halogénées. Le domaine a été lancé par la percée DSSC d'O'Regan et Grätzel en 1991 (~7 % de rendement) [17], inspirant les premières DSSC à base de pérovskite en 2009 [13]. Les premiers dispositifs souffraient toutefois de faible rendement et mauvaise stabilité en raison des couches de transport de trous (HTL) à électrolyte liquide.

a Structure cristalline d'une pérovskite [22]. b Schéma général d'un dispositif PSC [23]. c MEB de PSC méso-superstructuré (échelle 500 nm) [22]. d MEB de PSC planaire avec HTL/ETL [22].

En 2012, Kim, Grätzel et Park ont été les pionniers des PSC méso-superstructurés à l'état solide utilisant Spiro-MeOTAD et mp-TiO₂ comme HTM et ETM, atteignant 9,7 % de rendement [14]. Les avancées subséquentes ont porté les rendements des PSC à jonction unique à 22,1 % en 2016, approchant la limite théorique de 31,4 % pour CH₃NH₃PbI₃₋ₓClₓ [19].

L'architecture PSC comprend typiquement un substrat ITO/FTO, une couche active pérovskite, HTL, ETL et électrodes. Deux architectures dominantes sont les PSC méso-superstructurés (MPSC) et planaires (PPSC) [24, 25]. Le principe de fonctionnement implique l'absorption de lumière dans la pérovskite, la génération de paires électron-trou, l'extraction de charge par ETM/HTM et la collecte aux électrodes.

Cellules Solaires Pérovskites à Haut Rendement

Échange Intramoléculaire

En juin 2015, Yang et al. ont introduit une méthode d'échange intramoléculaire direct pour croître des films FAPbI₃ de haute qualité, atteignant 20,1 % de PCE sous illumination AM 1.5 G [26]. Le processus remplace les molécules de DMSO intercalées dans PbI₂ par l'iodure de formamidinium, produisant des couches pérovskites orientées (111), à gros grains et sans défauts.

a Schéma de la cristallisation de FAPbI₃ par échange intramoléculaire. b Histogramme d'efficacité de 66 cellules FAPbI₃ fabriquées par IEP vs processus conventionnel [26].

Cellules Solaires Pérovskites à Triple Cation Contenant du Césium

Saliba et al. ont démontré qu'incorporer du césium dans des compositions pérovskites à triple cation (Csₓ(MA₀.₁₇FA₀.₈₃)₁₀₀₋ₓPb(I₀.₈₃Br₀.₁₇)₃) produit >21 % de PCE, une stabilité accrue, des impuretés de phase réduites et une sensibilité au traitement plus faible [27, 28]. Ces films restent thermiquement robustes et moins affectés par les vapeurs de solvant, facilitant une fabrication reproductible à grande échelle.

a MEB en coupe transversale de Cs₀M, b Cs₅M, et c dispositifs Cs₅M à bas grossissement [27].

Cellules Solaires Pérovskites à Gap de Bande Gradué

En 2016, des chercheurs de UC Berkeley et LBNL ont introduit un design à gap de bande gradué combinant des couches CH₃NH₃SnI₃ et CH₃NH₃PbI₃₋ₓBrₓ séparées par une monocouche de h-BN monoatomique. Le dispositif tandem a atteint un PCE maximal de 26 %, avec un rendement à l'état stationnaire autour de 21,7 % [29–31]. L'architecture capture presque tout le spectre visible, produisant une performance temps-dépendante qui se stabilise après ~5 min d'illumination.

a Schéma de PSC à gap de bande gradué avec GaN, h-BN et aérogel de graphène. b MEB en coupe transversale de dispositif représentatif ; couches et h-BN non visibles en MEB mais identifiées via EDX. Barre d'échelle 200 nm [29].

Stabilité des Cellules Solaires Pérovskites

Malgré les gains de rendement, les PSC font encore face à une dégradation significative sous humidité, oxygène, exposition UV et stress thermique. Des études récentes soulignent que l'humidité est le facteur le plus critique, accélérant la décomposition en PbI₂ et iodure de méthylammonium volatil [32–44].

a Voie de décomposition proposée de CH₃NH₃PbI₃ en présence d'eau. b Réduction d'absorbance vs humidité relative. c Spectres PDS montrant la perte d'absorption après exposition à 30–40 % HR. d Dégradation sous humidité/air ; spectres UV-vis avant/après exposition ; photo encadrée de CH₃NH₃I sous diverses conditions [32].

Les stratégies d'amélioration de la stabilité incluent les ETL CeOₓ à basse température, les pérovskites à cations/halogénures mixtes, les électrodes en carbone et l'encapsulation avancée. Par exemple, les ETL CeOₓ présentent une stabilité supérieure au trempage lumineux comparé à TiO₂, tandis que les dispositifs FA₀.₈₃Cs₀.₁₇Pb(I₀.₆Br₀.₄)₃ conservent leurs performances sous illumination spectrale complète sans encapsulation [53–55].

Ingénierie d'Interface

La qualité d'interface gouverne la dissociation d'excitons, le transport de charge et la longévité du dispositif. Des stratégies telles que les nanocristaux colloïdaux de TiO₂ coiffés au chlore et les couches tunnel isolantes entre pérovskite et ETL ont atteint >20 % de rendements certifiés et 90 % de rétention de performance après 500 h au point de puissance maximale [57–58]. Les études computationnelles élucident davantage les voies de recombinaison aux contacts sélectifs de charge et aux joints de grains [59].

Conclusions

Les avancées récentes ont propulsé les rendements des PSC à jonction unique au-dessus de 22 %, approchant les références du silicium cristallin. Les pérovskites halogénées s'imposent désormais comme une alternative convaincante et peu coûteuse aux technologies PV conventionnelles. Néanmoins, la stabilité à long terme reste l'obstacle clé. Les progrès continus dans les architectures de dispositifs, la composition des matériaux et l'ingénierie d'interface promettent de délivrer des PSC hautement stables et performants prêts pour le déploiement commercial.