I&T : Le projet APOLO sur les modules solaires à base de pérovskites touche à sa fin. Quel bilan en tirez-vous ?
Malek Benmansour : Il s'agit d'un projet européen dont l'objectif, à l'origine, était de développer une technologie de dépôt couches-minces sur substrat flexible bas coût. Nous arrivons à la fin du projet, avec un TRL 5, et nous espérons poursuivre avec un démonstrateur de grande surface de modules sur substrat flexible avec une architecture utilisant de la pérovskite comme matériau absorbant pour des applications en bâtiment, par exemple.
Nous avons pu mettre au point des modules solaires flexibles pérovskites de 11,6 cm2 avec un rendement de conversion de puissance de 18,95%, soit un record mondial pour un dispositif pérovskite flexible de taille supérieure à 10 cm². Les performances affichées sont obtenues après encapsulation. La stabilité des dispositifs a été testée en conditions de chaleur humide (85°C, 85%RH), selon les normes utilisées pour les technologies silicium. Une stabilité de plusieurs centaines d'heure a été obtenue considérant un objectif de la norme à 1000 heures.
Comment êtes-vous parvenu à obtenir de tels résultats ?
Nous avons déposé une architecture de cellules qui regroupe seulement cinq couches sur un substrat bas coût polymère (PET) comportant un oxyde conducteur transparent. La simplicité de la structure et la basse température des procédés offre un potentiel important de réduction des coûts. Ainsi, la structure développée comporte simplement une électrode supérieure, une électrode inférieure, un absorbeur pérovskite et deux couches de sélection de charges intercalées entre l’absorbeur et les électrodes. L’ensemble a une épaisseur de l’ordre de quelques microns seulement.
Afin d’obtenir de telles performances, l’absorbeur pérovskite a été optimisé pour pouvoir absorber un maximum de lumière du spectre incident avec un substrat flexible. Nous avons également travaillé à la mise en œuvre d'un procédé laser en trois étapes pour la réalisation du module ainsi qu’au développement d'un procédé d'encapsulation flexible. L’encapsulation est cruciale afin de protéger le module de l’atmosphère et ainsi améliorer la stabilité, le défi a consisté à développer un procédé totalement compatible (pas de pertes électriques) avec des matériaux hautement barrières aux gaz et flexibles.
Pourquoi avoir opté pour de la pérovskite ?
C'est un matériau facilement déposable par voie humide. Sa particularité est que son gap d'absorption peut varier en fonction de la composition chimique. C'est également une technologie qui est bas coût comparée à d'autres technologies couches minces qui nécessitent par exemple des matériaux rares, des reports de couches et où la croissance de ces couches peut se révéler compliquée ou relativement couteuse. De plus, ce matériau a des propriétés optoélectroniques remarquables, avec des coefficients d'absorption très élevés.
Ceci nous permet d'avoir des couches minces, de 300 à 500 nanomètres, capables d'absorber une quantité suffisante de lumière. Enfin, les charges générées ont des durées de vie relativement longues. Ce matériau est très tolérant aux défauts de structure car il comporte très peu de défauts profonds recombinants. Pour ce projet, nous avons utilisé des pérovskites multi-cation hybrides, parfaitement adaptées à l'application solaire.
Les modules solaires développés mesurent 11,6 cm². La technologie est-elle duplicable à grande échelle ?
Les travaux menés en laboratoire nous ont permis de démontrer le potentiel du matériau et celui du dispositif. Nous avons commencé sur des cellules de très petites tailles, de 0,33 cm², pour lesquelles nous avons obtenu une performance moyenne de 19 %, avec un record à 20,5 %. Pour ce faire, on dissout des sels de plomb, des sels de cations dans des solvants. Ensuite, les dépôts sont réalisés selon un procédé de laboratoire, le type spin coating. La première étape pour aller vers une production à grande échelle est de déposer ces couches sur une plus grande surface (11,6 cm2 dans notre cas) et de réaliser un module constitué de plusieurs cellules (ou bandes) qui sont interconnectées in-situ par un procédé laser en trois étapes.
L’étape suivante pour une production grande surface est d’appliquer les différentes couches selon des procédés d’impression différents du spin coating, par exemple avec des procédés de type « slot die », qui sont compatibles avec des modes de production dit rouleau à rouleau qui peuvent avoir une très haute cadence. Ces développements sont aujourd’hui en cours dans le laboratoire pour des substrats rigides et pourront être transférés sur des substrats flexibles. Enfin, la dernière étape est l’encapsulation qui devra être hautement barrière aux gaz et également à un coût raisonnable.
Quel développement futur envisagez-vous ? Pour quels types d'applications ?
Beaucoup de travaux ont été réalisés sur de petites surfaces. Nous avons aujourd'hui travaillé sur des surfaces jusqu'à 20 fois plus grandes avec de très bons rendements sur une gamme d’illumination très importante (de l’équivalent de l’illumination de 1 soleil à 500 lux, qui est une très faible illumination intérieure). En interconnectant des modules, on obtient des démonstrateurs avec des voltages importants. En termes d'application, le démonstrateur peut être utilisé comme générateur d'énergie pour le bâtiment, ce qui est le cas pour le projet APOLO, ou dans un environnement où la luminosité est faible.
Nous devons encore valider des tests de stabilité afin de garantir une durée de vie importante dans les conditions d’utilisation réelles du dispositif. Enfin, nous devons continuer de travailler à l’usage de procédés d’application pouvant être utilisés à grande échelle ainsi qu’à l’usage de solvants dits « verts ». La présence du plomb doit aussi être considérée même si les quantités sont très faibles du fait de l’épaisseur des couches. Des technologies sont en développement, notamment afin de piéger ce dernier dans les matériaux d’encapsulation en cas de casse du dispositif et ainsi prévenir toute fuite dans l’environnement.
