Cellules solaires pérovskites inorganiques stables et écologiques sans plomb : ingénierie structurale, électronique et des défauts

Pourquoi des matériaux solaires plus propres sont importants

Les panneaux solaires sont souvent présentés comme une alternative propre aux combustibles fossiles, mais beaucoup des cellules solaires les plus performantes aujourd’hui reposent sur des composés contenant du plomb toxique et des composants organiques fragiles. Cet article de synthèse explore une nouvelle classe de matériaux solaires — des pérovskites entièrement inorganiques et sans plomb — qui visent à préserver la remarquable capacité d’absorption lumineuse des dispositifs actuels tout en améliorant fortement la sécurité et la durabilité. Pour les lecteurs intéressés par l’avenir des énergies propres, il offre une vue d’ensemble de l’évolution du domaine et des obstacles qui restent à surmonter.

Construire un cristal solaire plus robuste

Les pérovskites forment une famille de cristaux dont la structure est particulièrement efficace pour absorber la lumière du soleil et transporter des charges électriques. Les versions les plus performantes utilisent jusqu’à présent une molécule organique à un site du réseau et du plomb à un autre. Malheureusement, les composants organiques se dégradent sous l’effet de la chaleur, de l’humidité et d’un fort éclairement, tandis que le plomb pose de sérieux problèmes environnementaux et sanitaires. Les chercheurs se tournent donc vers des conceptions entièrement inorganiques où la partie organique est remplacée par du césium et le plomb par des métaux moins toxiques. L’article compare plusieurs de ces familles — basées sur l’étain et le germanium, le bismuth et l’antimoine, et les « pérovskites doubles » argent–bismuth — et explique comment de petits changements dans la géométrie cristalline et les liaisons peuvent faire basculer la performance solaire.

Remplacer le plomb par l’étain et le germanium

Les substituts électriques les plus proches du plomb sont l’étain et le germanium, qui peuvent former des réseaux pérovskites tridimensionnels absorbant fortement la lumière visible et, sur le papier, rivaliser avec les meilleurs composés au plomb. Les matériaux à base d’étain peuvent en particulier atteindre des gaps de bande quasiment idéaux pour la conversion d’énergie solaire et transporter des charges sur des distances de l’ordre du micromètre, comparables aux pérovskites commerciales actuelles. Le problème est que l’étain et le germanium s’oxydent beaucoup plus facilement. Cette fragilité chimique engendre des défauts dans le cristal qui jouent le rôle de petits pièges, capturant les charges et transformant l’énergie utile en chaleur. La revue décrit comment un contrôle fin de la composition, de la température de traitement et l’utilisation d’additifs auxiliaires peuvent ralentir l’oxydation, lisser la croissance des couches et prolonger considérablement la durée de vie des dispositifs, atteignant des efficacités supérieures à 14 % pour certaines cellules à base d’étain.

Transformer des cristaux à faible dimensionnalité en meilleurs collecteurs de lumière

Les pérovskites à base de bismuth et d’antimoine présentent le compromis inverse : elles sont chimiquement robustes et résistantes à l’humidité, mais leurs atomes s’organisent en agrégats et en feuillets de faible dimensionnalité plutôt qu’en réseau tridimensionnel entièrement connecté. Cette géométrie tend à piéger les charges et donne des gaps de bande indirects, si bien que la lumière n’est pas convertie en électricité aussi efficacement. Les auteurs montrent comment modifier l’équilibre ionique, insérer des cations plus petits ou plus grands, ou remplacer partiellement les halogénures peut pousser ces structures vers des arrangements plus connectés avec une meilleure mobilité de charge. Les traitements de surface et des conditions de croissance finement ajustées aident en outre à réduire les défauts profonds qui agissent comme des « tueurs » efficaces des charges excitées. Néanmoins, les efficacités de ces composés plus sûrs restent modestes, généralement dans la fourchette des quelques pourcents.

Concevoir des pérovskites doubles et maîtriser les défauts

Une autre voie prometteuse consiste à remplacer chaque paire d’atomes de plomb par la combinaison d’un métal +1 comme l’argent et d’un métal +3 comme le bismuth, formant les soi‑disant pérovskites doubles. Ces matériaux sont structurellement stables et montrent des durées de vie étonnamment longues pour les charges excitées, mais ils possèdent généralement des gaps de bande relativement larges et souvent indirects, ce qui limite la quantité de lumière solaire qu’ils peuvent exploiter. La revue met en avant des tactiques pour réduire et remodeler ces gaps — comme le mélange avec d’autres métaux, la distorsion douce du cristal par contrainte, ou l’introduction d’un désordre contrôlé dans l’agencement des métaux. Dans toutes les familles, un message unificateur apparaît : la façon dont les orbitales atomiques forment le sommet et le bas des bandes d’énergie dicte en grande partie quels défauts apparaissent, qu’ils soient peu profonds et inoffensifs ou profonds et fortement destructeurs. Les stratégies d’ingénierie réussies agissent en orientant à la fois les bords de bande et le paysage des défauts vers des conditions où les pertes par recombinaison sont minimisées.

De la curiosité de laboratoire à une source d’énergie réelle

En regardant vers l’avenir, l’article soutient que les pérovskites inorganiques sans plomb pourraient soutenir une nouvelle génération de modules solaires plus sûrs, y compris des dispositifs en tandem qui empilent différents absorbeurs pour extraire davantage d’énergie du soleil. Pour y parvenir, les scientifiques doivent encore résoudre plusieurs problèmes imbriqués : empêcher l’oxydation de l’étain et du germanium sans sacrifier la qualité des couches, réduire les tendances au piégeage de charge des réseaux à base de bismuth et d’antimoine, assortir finement les niveaux d’énergie aux interfaces, et développer des méthodes d’enduction à l’échelle qui produisent des films uniformes et peu défectueux sur de grandes surfaces. Avec des progrès coordonnés en chimie cristalline, en procédés et en tests de longue durée dans des conditions réalistes, ces matériaux pourraient fournir des panneaux solaires non seulement efficaces, mais aussi robustes et responsables d’un point de vue environnemental.

Citation: Jang, W.J., Park, P.J., Ong, WJ. et al. Stable and eco-friendly inorganic lead-free perovskite solar cells: structural, electronic, and defect engineering. Commun Mater 7, 110 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01158-1

Mots-clés: pérovskites sans plomb, cellules solaires inorganiques, pérovskites à base d’étain, pérovskites au bismuth et à l’antimoine, photovoltaïque à pérovskites doubles