Pérovskite

Définition

Les pérovskites sont une classe de sels métalliques naturels ou synthétiques avec une structure cristalline caractéristique. Les cristaux forment une grille cubique composée de deux ions différents chargés positivement (cations A et B) et d’anions chargés négativement dans les interstices de la grille. Les variantes synthétiques les plus connues sont les pérovskites aux halogénures métalliques (MHP), dans lesquelles des métaux tels que le plomb ou l’étain sont utilisés comme cations A et le césium ou le méthylammonium comme cations B. Des halogénures tels que le chlorure, l’iodure ou le bromure sont utilisés comme anions. La structure cristalline spécifique conduit à d’excellentes propriétés optoélectroniques qui peuvent être modifiées et contrôlées de manière flexible en fonction de la composition. Ainsi, les cristaux de pérovskite sont de bons semi-conducteurs, des matériaux qui, selon les conditions, alternent entre des propriétés conductrices et non conductrices. Ils fonctionnent comme un interrupteur et sont un élément central de la logique numérique propre à la technologie informatique. Outre cette propriété, les pérovskites peuvent également envoyer et recevoir des signaux lumineux de manière ciblée, ce qui les prédestine à des applications en photonique et photovoltaïque.  

Applications actuelles et perspectives

Les cristaux synthétiques de pérovskite sont principalement utilisés sous trois formes :  

• Premièrement sous forme de couches minces polycristallines dans les cellules solaires tandems. Celles-ci sont constituées de deux couches différentes de pérovskite ou d’une couche de pérovskite et d’une couche de silicium. Cela permet d’élargir la bande de la lumière captée et d’augmenter ainsi l’efficacité de la conversion de l’énergie solaire à plus de 30 %. Les cellules solaires ordinaires à base de monocellules au silicium atteignent moins de 25 %. De plus, grâce à leur forte capacité d’absorption lumineuse, les couches minces à base de cristaux de pérovskite peuvent aussi être utilisées comme capteurs d’image pour les caméras couleur de haute qualité, tant sur le marché des biens de consommation que dans les applications de niche, pour la surveillance des machines par exemple, ou comme capteurs dans l’agriculture de précision.    

• Deuxièmement, les nanocristaux de pérovskite peuvent être utilisés en tant que boîtes quantiques, également appelés quantum dots. Ils permettent d’émettre des photons individuels à une longueur d’onde précisément définie, ce qui en fait d’excellentes sources lumineuses pour les écrans et les diodes électroluminescentes. Les écrans dotés de boîtes quantiques à base de pérovskite dans les télévisions, les films lumineux ou les micro-LED se distinguent par des couleurs vives et un fonctionnement peu énergivore. 

• Troisièmement, les pérovskites peuvent également être synthétisées sous forme de monocristaux mesurant jusqu’à 1 centimètre. Ces derniers peuvent être utilisés comme détecteurs ultrasensibles pour les rayons X ou gamma dans l’imagerie médicale ou pour d’autres applications spécifiques aux contrôles de sécurité, pour l’inspection des bagages par exemple. 

À l’heure actuelle, seuls quelques produits commerciaux sont disponibles. Plusieurs entreprises ont annoncé leur entrée sur le marché des produits à base de pérovskite pour le photovoltaïque, mais avec un calendrier souvent trop optimiste. La start-up Perovskia commence à commercialiser des cellules solaires MHP pour le secteur de l’Internet des objets (voir Internet des objets).  

Le développement de cette technologie dans le domaine du photovoltaïque est soutenu par des universités, mais aussi par de nombreuses start-up et entreprises établies. À l’heure actuelle, les autres applications n’en sont toujours qu’au stade de la recherche académique, principalement dans des groupes de l’EPF de Zurich, de l’Empa, de l’EPFL et du CSEM de Neuchâtel pour la Suisse. 

Défis

La stabilité et la fiabilité opérationnelle des produits constituent un défi majeur dans toutes les applications. Les modules solaires revêtus d’une couche mince de MPH peuvent se dégrader en quelques centaines d’heures de fonctionnement dans des conditions météorologiques difficiles ou en cas d’humidité – bien trop peu par rapport aux cellules solaires au silicium qui fonctionnent parfaitement pendant 25 ans ou plus.  

La plupart des compositions à base de MHP contiennent également de faibles quantités de plomb qui, lors de l’élimination, nuisent à l’environnement. Le développement d’alternatives sans plomb et non toxiques, ainsi qu’une filière de recyclage renforcée, pourraient accélérer la mise sur le marché de toutes les applications des pérovskites. En fonction de l’architecture de l’appareil et du mode de calcul de la teneur en plomb, les produits à base de MHP peuvent nécessiter une dérogation à la directive européenne sur la prévention des substances dangereuses (RoHS).  

Accent sur l’industrie

La pérovskite jouera bientôt un rôle important dans la production de modules solaires, d’instruments de mesure et de capteurs. Un premier domaine d’activité est la fabrication de pérovskites, un second celui de la fabrication de composants. Contrairement aux cellules solaires en silicium, qui sont fabriquées à partir de monocristaux extrêmement purs à haute température, les produits à base de MHP peuvent être imprimés, évaporés ou séparés de la solution à des températures relativement basses de 100 à 150 degrés Celsius sans conditions de salle blanche, puis transformés en couches minces, légères et souples. Celles-ci peuvent être découpées sur mesure, élargissant ainsi les possibilités d’application des modules solaires qui peuvent ainsi être intégrés aux bâtiments, ce que les plaques de verre rigides et lourdes en silicium ne permettent pas.  

Le personnel qui s’occupe de la conception de tels produits a besoin de connaissances approfondies en chimie, en science des matériaux, en physique des solides, en nanotechnologie, mais aussi d’un savoir spécifique aux procédés de fabrication correspondants. Pour l’application concrète, il est nécessaire de posséder un bagage en microtechnique, en fabrication additive et en séparation de couches minces. Et selon l’application, un savoir-faire dans le domaine des appareils optiques, de la conception de caméras et du développement de logiciels est également nécessaire.  

La Suisse dispose d’excellentes formations dans ce domaine. Néanmoins, compte tenu de l’évolution rapide, elle risque de faire face à une pénurie croissante de main-d’œuvre qualifiée, de sorte qu’elle dépendra de plus en plus de spécialistes venant de l’étranger.  

Perspectives internationales

Les États-Unis, la Chine et l’UE comptent parmi les leaders du développement de l’optoélectronique à base de pérovskite. La commercialisation en est encore à un stade précoce dans le monde entier avec de premiers essais sur le terrain et des mesures d’expansion prudentes. Les groupes de recherche suisses sont fortement engagés dans des coopérations internationales avec des institutions universitaires et des entreprises.  

Applications futures

Si les spécialistes trouvent un moyen d’étendre la photosensibilité des cristaux de MHP à l’infrarouge, ceux-ci pourraient également être utilisés à l’avenir pour l’imagerie médicale, mais aussi pour la surveillance de la production de semi-conducteurs, de l’environnement et militaire.  

Les nanocristaux de pérovskite peuvent aussi être utilisés comme sources de lumière en physique quantique. En tant que tels, ils peuvent produire de manière contrôlée des photons uniques, pratiquement identiques en termes de longueur d’onde, de phase et de polarisation, et qui sont indispensables au développement de la cryptographie quantique, des ordinateurs quantiques et de la communication quantique. 

Les monocristaux de pérovskite sont des détecteurs de rayonnement efficaces qui permettent, par exemple, de réaliser des diagnostics tomographiques plus précis avec une exposition réduite aux rayons. Des applications sont également envisageables dans les technologies d’imagerie avancées spécifiques à l’astronautique, la défense militaire ou les contrôles de sécurité.  

Le potentiel des pérovskites est grand. Grâce à leurs propriétés physiques et optoélectroniques uniques, ils peuvent faire passer le photovoltaïque, l’industrie des semi-conducteurs et des capteurs ainsi que les applications optoélectroniques à un niveau supérieur. Ils font avancer la miniaturisation dans ces domaines et permettent une production économe en énergie et en ressources, ce qui a un impact positif sur la durabilité des produits concernés. En outre, ils permettent aux start-up et aux PME suisses de s’assurer un avantage dans des applications de niche et réduisent, au niveau européen, la dépendance vis-à-vis des modules photovoltaïques fabriqués en Chine.