Pérovskites : comment les cellules tandem transforment l’énergie solaire

Depuis leur apparition au début des années 2010, les pérovskites ont bouleversé la recherche photovoltaïque. Ces matériaux cristallins, faciles à fabriquer et aux propriétés optoélectroniques exceptionnelles, ont vu leur rendement de conversion passer de moins de 4 % à plus de 25 % en laboratoire en une décennie. Aujourd’hui, la course s’accélère pour les intégrer aux panneaux solaires commercialisés, non pas en remplacement du silicium, mais en complément. L’enjeu : les cellules tandem, qui empilent une couche de pérovskite sur une cellule de silicium pour capter un spectre lumineux plus large et dépasser les limites théoriques du silicium seul.

Pourquoi les pérovskites suscitent un tel engouement

Contrairement au silicium, dont le rendement maximal théorique est d’environ 29 %, les pérovskites peuvent être ajustées pour absorber différentes longueurs d’onde. En les combinant avec du silicium, des rendements de laboratoire supérieurs à 33 % ont déjà été atteints, comme l’ont montré des équipes de l’NREL (National Renewable Energy Laboratory) et de l’Institut Helmholtz de Berlin. Ces performances ouvrent la voie à des panneaux solaires nettement plus puissants, sans augmenter leur surface.

Autre atout : les pérovskites peuvent être déposées par des procédés peu coûteux, comme l’impression à jet d’encre ou le spin-coating, ce qui pourrait réduire le coût de fabrication des modules solaires. Des entreprises comme Oxford PV (Royaume‑Uni) et LONGi Green Energy (Chine) investissent massivement dans la production de cellules tandem pérovskite‑silicium. La première a annoncé un rendement de 28,6 % sur un module commercial de taille réelle en 2023.

Les verrous à surmonter pour une industrialisation réussie

L’enthousiasme est tempéré par des défis techniques majeurs, identifiés par le CNRS et l’IPVF (Institut Photovoltaïque d’Île-de-France) notamment :

• Stabilité et durabilité : les pérovskites se dégradent rapidement sous l’effet de l’humidité, de la chaleur et des rayons UV. Les chercheurs travaillent sur des encapsulations avancées et des compositions plus robustes, comme l’introduction de cations organiques ou inorganiques stabilisants.
• Scalabilité : passer du laboratoire (quelques cm²) à des plaques de plusieurs mètres carrés sans perte de rendement est un défi d’ingénierie. Des techniques de dépôt par évaporation sous vide ou par revêtement à grande vitesse sont en cours de développement.
• Toxicité potentielle : certaines pérovskites contiennent du plomb, ce qui soulève des questions environnementales et réglementaires. Des recherches explorent des alternatives sans plomb (étain, bismuth) mais leurs performances restent inférieures.

Comme le souligne Daniel Lincot, chercheur émérite au CNRS, dans un article de The Conversation, « les pérovskites ont apporté un élan considérable, mais elles se heurtent à des verrous importants. Aucune technologie unique ne s’imposera probablement, et c’est la complémentarité des approches qui fera la différence. »

Quelles perspectives pour le marché photovoltaïque ?

Le marché mondial du solaire a installé plus de 400 GW de nouvelles capacités en 2023, selon l’Agence Internationale de l’Énergie (AIE). L’intégration des pérovskites pourrait accélérer encore cette croissance, en augmentant le rendement des panneaux et en réduisant le coût du kWh produit. Les analystes de BloombergNEF estiment que les modules tandem pourraient représenter 10 % du marché d’ici 2030 si les problèmes de stabilité sont résolus.

Plusieurs projets européens, comme le programme PERTPV (Perovskite Tandem PV) financé par Horizon Europe, visent à industrialiser la production et à tester la fiabilité à long terme. En parallèle, la Chine, leader mondial de la fabrication de silicium, investit massivement dans les lignes de production tandem, notamment via les groupes Trina Solar et JinkoSolar.

Conclusion : un avenir en tandem

Les pérovskites ne remplaceront pas le silicium du jour au lendemain, mais elles offrent une voie crédible pour franchir un palier de rendement. La clé réside dans l’hybridation des technologies, comme le montrent les succès des cellules tandem en laboratoire. Si les défis de stabilité, d’échelle et de toxicité sont relevés – et les investissements mondiaux suggèrent une forte probabilité de succès – ces matériaux pourraient bien devenir un pilier de la transition énergétique, en rendant le solaire plus performant et compétitif que jamais.

Article basé sur une synthèse de la recherche en cours, enrichi de données actualisées et d’avis d’experts.