« L’objectif de Gemini est de comprendre l’origine et d’étudier les mécanismes de dégradation des pérovskites selon différents facteurs de stress », résume Frédéric Sauvage, directeur de recherche CNRS au sein du laboratoire de réactivité et chimie du solide (CNRS/ Université de Picardie Jules Verne) et porteur du projet Gemini. Ce projet fait partie des 15 projets lauréats du CNRS annoncés mi-avril ayant obtenu une bourse Advanced attribuée par le conseil européen de la recherche (ERC). Il bénéficiera ainsi de 2,5 millions d’euros sur cinq ans pour mener à bien ses recherches.
Les pérovskites sont des matériaux présentant de multiples intérêts : facilité de fabrication, rendement de conversion très élevé pour les systèmes photovoltaïques, ou encore capacité de photocatalyse bien supérieure à celle des semi-conducteurs actuels. « Mais ils ont un talon d’Achille, qui est la stabilité sur le très long terme, notamment dans des conditions de stress comme la température, l’humidité, l’oxygène, ou encore la lumière et le potentiel électrique », explique Frédéric Sauvage.
Etudier la réaction de la matière à l'illumination
Le projet Gemini abordera cette problématique à travers deux approches. La première s’attachera à étudier comment la matière réagit lorsqu’elle reçoit de l’énergie lumineuse. « Car un absorbeur de lumière, ce n’est pas seulement un matériau qui convertit de l’énergie lumineuse en énergie électrique. C’est bien plus que ça : entre ces deux étapes, les atomes bougent, la structure peut gonfler et vibrer, précise le chercheur, qui ajoute : nous travaillerons à des échelles de temps très courtes, de l’ordre d’un millième de milliardième de seconde (1 picoseconde), pour essayer d’appréhender au mieux cette interaction lumière-matière et de comprendre si ce n’est pas justement le premier mécanisme de dégradation ».
En lien avec ce premier axe, il s’agira ensuite de comprendre ces mouvements de la structure atomique quand un matériau pérovskite est soumise à différents stress, à différentes échelles de temps, de la picoseconde à l’heure, et à différentes échelles d’assemblage de la matière, c’est-à-dire de l’atome jusqu’à la dimension macroscopique. « Pour cela, nous avons développé et nous continuons à développer des techniques de caractérisation et des chambres d’environnement spécifiques qui permettent à la fois de stresser le matériau et de le caractériser in situ et in operando », selon Frédéric Sauvage.
Une technique de caractérisation unique en son genre
Actuellement, ce type de caractérisation est réalisable « sur des grands instruments, comme des accélérateurs, ou des rayonnements synchrotrons. Mais nous souhaitons réaliser ce type d'expérience en laboratoire pour deux raisons. La première est que sur les grands instruments, le flux de lumière est important et stresse nos systèmes en tant que tels, donc la caractérisation n'est plus passive et conduit elle-même à du stress, et à la dégradation. Et puis le deuxième point, c’est qu’on pourra suivre justement comment la matière vit, pas uniquement dans des conditions idéales, mais aussi dans des conditions de stress ». L’adaptation et le développement de cette technique est au coeur de cette ERC, et sera « complètement unique en son genre », s’enthousiasme Frédéric Sauvage.
Grâce à l’ensemble de ces procédés, les chercheurs pourront tout d’abord de comprendre comment ces perturbations de la structure atomique se propagent dans le matériau, la cellule et le module. « Mais nous nous intéresserons aussi à la température, la lumière, l’humidité et le potentiel électrique. Nous avons déjà commencé à regarder leur impact de manière séparée, mais l’idée est maintenant de les combiner comme dans un système réel. Nous regarderons si cela accélère la dégradation ou bien si cela crée de nouveaux mécanismes », détaille-t-il.
Développer un modèle prédictif
Outre une technique de caractérisation unique en laboratoire, le projet Gemini vise à développer « un modèle prédictif qui permet de corréler l’usage qui est fait de la cellule, c’est-à-dire les variations de courant et de tension qu’elle subit, avec ce qui est en train de se dégrader dans la cellule », conclut Frédéric Sauvage.
