La Pérovskite est une espèce minérale découverte au 19ème siècle par le minéralogiste allemand Gustav Rose alors qu’il effectuait des recherches sur les minéraux dans la région de l’Oural. En 2009, les travaux du chercheur japonais Tsutomu Miyasaka ont démontré leur l’intérêt et ont été poursuivis par l’université d’Oxford. A l’origine, La pérovskite désigne le minéral titanate de calcium (CaTiO₃). Désormais, les pérovskites sont vus comme une structure atomique particulière (cubique avec du calcium, du titane et de l’oxygène) simple à reproduire en laboratoire.

En 2013, la chercheuse polonaise Olga Malinkiewicz a découvert, lorsqu’elle était doctorante à l’institut des sciences moléculaires (ICMol) de l’Université de Valence (Espagne), qu’ils pouvaient devenir des éléments fondamentaux pour former, de façon simple, des cellules photovoltaïques de nouvelle génération. Olga Malinkiewicz a depuis été récompensée pour ses travaux, à l’échelle internationale et à de multiples reprises (MIT, Commission européenne, etc.). Désormais associée à la start up polonaise Saule Technologies, la chercheuse participe à l’industrialisation à grande échelle de cette découverte.

Quel crédit accorder à cette technologie ?

Selon un professeur de l’Institut des Sciences et Ingénierie Chimique à l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suisse), à la pointe de la recherche sur l’énergie photovoltaïque, cette découverte est en passe de révolutionner la production d’énergie photovoltaïque.

L’innovation principale réside dans le fait que les panneaux solaires Pérovskites sont :

• souples, légers, personnalisables selon l’application (à transparence et teinte variables).
• fonctionnent partout, pas seulement sur les toits, avec une source lumineuse plus faible que les panneaux classiques.
• meilleur marché mais aussi efficaces que les panneaux classiques. Taux de rendement de 22% en 2019.

Le procédé consiste (de façon simplifiée) à déposer une couche de pérovskites par une simple impression de type « jet d’encre ». Il n’est plus nécessaire de recourir à de hautes températures pour déposer une couche photovoltaïque sur un support. Ceci offre une grande souplesse en termes de surfaces support et de formes imprimables contenant les cellules solaires.

Malgré des obstacles techniques importants tels que la stabilité dans le temps à un rendement élevé, la résistance à l’eau, la résistance à la température et aux UV, les chercheurs sont parvenus à maîtriser le procédé. Ces dernières années, les chercheurs de l’EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne) ont développé une méthode simple et peu coûteuse de dépôt de couches enrobantes afin de supprimer l’origine de l’instabilité qui persistait. Il semble cependant que, selon les applications, l’avenir soit à une combinaison entre des couches de pérovskites et d’autres matériaux ou alliages, certains à base de silicium. En 2018, des chercheurs ont annoncé avoir obtenu des rendements historiques de 25 à 27% (société Oxford PV).

Leur structure finale étant souple et légère sous la forme d’un film fin de PET (polytéréphtalate d’éthylène), il devient possible de les suspendre ou de les accrocher à peu près partout. Et plus uniquement sur les toits, mais aussi sur les façades ou les fenêtres des bâtiments ! En effet, il réagissent à une plus large bande du spectre lumineux que les panneaux photovoltaïques au silicium. Donc, même avec un éclairement plus faible et plus indirect, le panneau fonctionne.

Il est également possible d’appliquer la couche photovoltaïque, de façon personnalisée, sur de nombreux supports inédits.

Taille, couleur, transparence, support personnalisable ?

En effet, ces nouveaux modules sont plus fins, plus légers, plus design que les cellules actuelles….. Ceci ouvre d’énormes opportunités pour les constructeurs de bâtiments et les architectes qui souhaitent utiliser le solaire dans le cadre des bâtiments basse consommation ou autosuffisants en énergie.

Olga Malinkiewicz (Saule technologies) et Skanska (Suède)

Le rendement actuel des cellules est d’environ 23%. Cependant, il semble que ces cellules solaires pourraient un jour atteindre la limite technique maximale possible pour cette technologie, soit 31%.

La force des cellules photovoltaïques dites “Pérovskites” est leur faible coût et complexité de fabrication.
On estime qu’un panneau de moins de 2 m2 de cellules Pérovskites pourra alimenter un poste de travail d’un utilisateur pendant une journée.

Le coût du panneau, lorsqu’il sera industrialisé à grande échelle et à son stade avancé de développement, sera d’environ 50€/m2 pour un rendement équivalent aux panneaux photovoltaïques actuels (soit aux alentours de 23%). Pour l’instant l’efficacité opérationnelle annoncée est plus proche de 15%, ce qui amène un coût de l’électricité à un niveau impressionnant de seulement 0.05 Kwh (LCOE (Levelized Cost of Electricity)).

A l’heure où la majorité des fabricants européens de panneaux photovoltaïques a disparu au profit de la production chinoise, la technologie du Pérovskite doit relever plusieurs défis pour espérer s’imposer à grande échelle. A ce jour, ses performances (rendement) ne font au mieux qu’égaler celles du silicium dont les durées de vie commerciales sont annoncées à 25 ans. La stabilité dans le temps des films à Pérovskite reste encore à démontrer. Certains experts avancent également la piste d’une technologie tandem entre le silicium et le Pérovskite.

Le point fort des cellules Pérovskite est de fonctionner dans des conditions de lumière beaucoup plus réduites. Car dans les villes, les panneaux photovoltaïques au silicium impliquent de disposer de grandes surfaces horizontales. C’est pour répondre à cette contrainte que de nombreux projets plébiscitent l’intégration des techniques de production d’énergie photovoltaïques directement dans les matériaux de construction (BIPV = building integrated photovoltaics).  Les films à base de Pérovskite pourraient bien y trouver leur place du fait de leur finesse et souplesse d’intégration. Les cellules pourraient être incorporées dans des toits, des murs, des fenêtres, etc. Il reste à travailler encore sur leur transparence. Point qui n’est pas totalement bloquant, puisqu’il peut servir d’autres objectifs (ombrage).

Les applications potentielles sont nombreuses pour fournir de l’énergie dans le cadre de la mobilité, de l’électronique embarquée mais aussi dans le cadre de l’habitat et de la construction.

La start up polonaise Saule Technologies a mis en service fin 2018 des panneaux de taille importante dans un hôtel innovant japonais.

La multinationale suédoise Skanska, constructeur dans le bâtiment et les travaux publics, a passé un accord d’exploitation de licence avec Saule Technologies dans le but d’intégrer la technologie des cellules photovoltaïques « Pérovskites » dans certaines de ses futures constructions à l’échelle mondiale. Des panneaux de 1.2 x 0.9 m ont été testés sur des bâtiments réels en 2019 en Pologne. Des projets sont actuellement en cours pour intégrer des films de cellules solaires pérovskites directement dans les vitrages.

Cette année, c’est dans la ville polonaise de Wroclaw que seront fabriqués 40 000 m² de panneaux à cellules solaires pérovskites.

De nombreux projets industriels basés sur cette technologie voient le jour actuellement.