Des cellules solaires pérovskites plus stables avec moins de plomb

L’énergie photovoltaïque, renouvelable, est un enjeu mondial. Ces six dernières années, une nouvelle technologie a émergé : les cellules solaires de type pérovskite (PSCs, perovskite solar cells) qui combinent les avantages de la technologie silicium (rendement de photoconversion PCE > 20 %) et ceux des cellules solaires organiques OSCs (procédé de fabrication peu couteux à température ambiante à partir de solutions). Le matériau de référence est le MAPI de formule MAPbI3 où MA+ est le methylammonium ou des dérivés, mais il présente deux inconvénients principaux : une instabilité à l’air, principalement à l’humidité, et la présence de l’élément plomb toxique. L’utilisation de pérovskites hybrides à réseau inorganique bidimensionnel (2D) a conduit à une amélioration significative de la tenue à l’humidité, au prix d’un PCE faible (< 12 %). Les équipes du laboratoire MOLTECH-Anjou (CNRS/Université d’Angers), de l’Institut de Recherche de Chimie Paris (CNRS/Chimie-Paristech), de l’Institut des Molécules et Matériaux du Mans (CNRS/Le Mans Université) et de l’Institut des Matériaux Jean Rouxel de Nantes (CNRS/Université de Nantes) ont découvert et étudié une nouvelle famille de pérovskites hybrides appelée d-MAPI. La structure de ces composés de formule (MA, HEA)1+xPb1-xI3-x où HEA+ est l’hydroxyethylammonium  résulte de la substitution d’entités (PbI)+, composées d’un ion plomb et d’un ion iode, par des cations organiques. Cette structure en fait un intermédiaire entre les deux grandes familles des pérovskites hybrides 2D et 3D. Contenant moins de plomb, les cellules solaires à base de d-MAPI sont aussi plus stables à l‘humidité que le composé de référence MAPI (17 h de stabilité à l’air ambiant contre 1 h, dans les conditions d’étude), ce qui rend leur utilisation plus simple. Cette découverte ouvre des perspectives considérables dans la conception de nouveaux matériaux pour cellules solaires, photodétecteurs ou diodes électroluminescentes, grâce à la grande flexibilité de composition de ces nouvelles pérovskites avec des substitutions potentielles sur le site de Pb, I, MA+ mais aussi sur le site HEA+ .

Référence

Antonin Leblanc, Nicolas Mercier, Magali Allain, Jens Dittmer, Vincent Fernandez, Thierry Pauporté
Lead and iodide deficient (CH3NH3)PbI3, d-MAPI: the bridge between 2D and 3D hybrid perovskites
Angewandte Chemie International Edition -  Novembre 2017
DOI: 10.1002/anie.201710021

Nicolas Mercier, Thierry Pauporté, Antonin Leblanc

Pérovskites hybrides organique-inorganiques

Brevet n° FR 17 56883 (2017)