Au cours des dernières années, l’essor du domaine des énergies renouvelables a entraîné un perfectionnement progressif des technologies solaires. Cependant, les cellules solaires au silicium largement utilisées aujourd’hui présentent encore un rendement relativement faible et leur processus de fabrication se montre coûteux et complexe. C’est pourquoi les ingénieurs souhaitent les remplacer par des cellules à base de pérovskites. Récemment, une équipe de physiciens est parvenue à maintenir l’un des matériaux les plus prometteurs suffisamment stable pour permettre la conversion de l’énergie solaire en électricité.
Parmi les matériaux connus sous le nom de pérovskites, l’un des plus intéressants est un matériau capable de convertir la lumière du Soleil en électricité aussi efficacement que les cellules solaires au silicium du commerce d’aujourd’hui et qui a le potentiel d’être beaucoup moins cher et plus facile à fabriquer. Mais un problème demeure : sur les quatre configurations atomiques possibles (ou phases) que ce matériau peut prendre, trois sont efficaces mais instables à température ambiante et dans des environnements ordinaires, et elles reviennent rapidement à la quatrième phase, qui est totalement inutile pour les applications solaires.
Des scientifiques de l’Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory du département de l’Énergie ont trouvé une nouvelle solution : il suffit de placer la version inutile du matériau dans une cellule à enclume en diamant et de la presser à haute température. Ce traitement pousse sa structure atomique dans une configuration efficace et la maintient ainsi, même à température ambiante et dans un air relativement humide. Les chercheurs ont décrit leurs résultats dans la revue Nature Communications.
« Il s’agit de la première étude à utiliser la pression pour contrôler cette stabilité, et cela offre vraiment beaucoup de possibilités. Maintenant que nous avons trouvé cette façon optimale de préparer le matériau. Il est possible de le mettre à l’échelle pour la production industrielle et d’utiliser cette même approche pour manipuler d’autres phases de pérovskite », explique Yu Lin, un physicien au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES).
Une phase noire structurellement instable
Les pérovskites tirent leur nom d’un minéral naturel avec la même structure atomique. Dans ce cas, les physiciens ont étudié une pérovskite à halogénure de plomb qui est une combinaison d’iode, de plomb et de césium. Une phase de ce matériau, connue sous le nom de « phase jaune », n’a pas une véritable structure de pérovskite et ne peut donc pas être utilisée dans les cellules solaires. Cependant, les scientifiques ont découvert il y a quelque temps que, traité d’une certaine manière, elle se transforme en une phase de pérovskite noire extrêmement efficace pour convertir la lumière du Soleil en électricité.
Malheureusement, ces phases noires sont également structurellement instables et ont tendance à revenir rapidement à la configuration inutile. De plus, elles ne fonctionnent qu’avec un rendement élevé à des températures élevées, et les chercheurs devront surmonter ces deux problèmes avant de pouvoir les utiliser dans des appareils pratiques.
Il y avait eu des tentatives antérieures pour stabiliser les phases noires avec la chimie, la contrainte mécanique ou la température, mais seulement dans un environnement sans humidité qui ne reflète pas les conditions du monde réel dans lesquelles les cellules solaires fonctionnent. Cette étude a combiné la pression et la température dans un environnement de travail plus réaliste.
La pression pour assurer la stabilité de la phase noire
En collaboration avec des collègues des groupes de recherche de Stanford, les auteurs ont conçu une configuration où des cristaux de phase jaune étaient pressés entre des pointes de diamants dans ce que l’on appelle une cellule d’enclume de diamant. La pression étant toujours active, les cristaux ont été chauffés à 450 degrés Celsius puis refroidis.
Sous la bonne combinaison de pression et de température, les cristaux sont passés du jaune au noir et sont restés dans la phase noire après le relâchement de la pression. Ils résistent à la détérioration causée par l’air humide et restent stables et efficaces à température ambiante pendant 10 à 30 jours ou plus. L’examen aux rayons X et d’autres techniques ont confirmé le changement dans la structure cristalline du matériau, et les calculs des théoriciens ont permis de comprendre comment la pression a changé la structure et préservé la phase noire.
La pression nécessaire pour rendre les cristaux noirs et les maintenir ainsi était d’environ 1000 à 6000 fois la pression atmosphérique — environ un dixième des pressions couramment utilisées dans l’industrie du diamant synthétique. L’un des objectifs de la recherche future sera donc de transférer ce que les chercheurs ont appris de leurs expériences sur les cellules d’enclume de diamant à l’industrie, et d’intensifier le processus pour les faire entrer dans le domaine de la fabrication.