Une cellule solaire classique est composée de silicium cristallin et convertit environ 20 % de la lumière solaire incidente en énergie électrique. Il s’agit de la méthode la plus courante pour fabriquer une cellule solaire, mais ce n’est pas la seule. D’autres matériaux permettent par exemple de fabriquer des cellules légères et souples, nécessitent moins d’énergie lors de leur fabrication ou augmentent le rendement.

Les cellules solaires à base de pérovskite constituent une alternative prometteuse. En science des matériaux, le terme « pérovskite » ne désigne pas un composé chimique spécifique, mais plutôt une structure matérielle particulière. Les plus connues sont les pérovskites halogénées, qui font également l’objet de recherches intensives à l’Empa et sont commercialisées par la spin-off « Perovskia Solar ». Mais d’autres substances peuvent également adopter cette structure cristalline de type pérovskite.

Les « pérovskites de chalcogénures » constituent une étoile montante dans le ciel des pérovskites. Les chalcogénures sont stables, composés d’éléments non toxiques et abondants dans la croûte terrestre, et possèdent les propriétés optiques et électroniques nécessaires aux cellules solaires et autres applications similaires – du moins en théorie. En effet, jusqu’à présent, l’une des propriétés les plus importantes de ces matériaux, à savoir le rendement lumineux, n’avait pas pu être déterminée expérimentalement.

Une équipe de chercheurs de l’Empa dirigée par Mirjana Dimitrievska, en collaboration avec Susan Schorr du Centre Helmholtz pour les matériaux et l’énergie à Berlin ainsi que d’autres partenaires, a désormais réussi pour la première fois à déterminer expérimentalement le rendement lumineux des pérovskites à base de chalcogénures. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue spécialisée « Advanced Optical Materials ».

Le matériau « se laisse scruter »

Afin de « détecter » la photoluminescence – c’est-à-dire, pour ainsi dire, la « luminosité » – dans le matériau, les chercheurs de l’Empa ont étudié un cristal de sulfure de baryum et de zirconium, une pérovskite de chalcogénure, fabriqué au Centre Helmholtz. Pour ce faire, ils ont eu recours à des méthodes de spectroscopie de pointe – une spécialité du groupe de recherche de Mirjana Dimitrievska. « Cela nous a permis de démontrer que le matériau présente une photoluminescence relativement forte. Cependant, lorsqu’on le fabrique sous forme de couche mince, cette photoluminescence est fortement atténuée par des défauts qui apparaissent lors de la synthèse et du traitement », explique la chercheuse. « Nos résultats obtenus sur le monocristal concordent en revanche très bien avec la théorie. »

L'écart entre la théorie et la pratique est un élément fondamental de la science des matériaux. « Le développement des matériaux commence généralement par la théorie », explique Mirjana Dimitrievska. « Les informaticiens spécialisés dans les matériaux déterminent, à l’aide de modèles théoriques et de calculs, quels matériaux pourraient convenir à une application donnée. Ceux-ci sont ensuite synthétisés et transformés en premiers prototypes de composants, tels que des éléments pour cellules solaires et photodétecteurs, afin de vérifier s’ils répondent aux attentes. »

Chaque fois que la pratique s’écarte de la théorie, Mirjana Dimitrievska, experte en spectroscopie, apporte une réponse à la question du « pourquoi ». « Nous pouvons déterminer, par exemple, si la synthèse n’était pas optimale et si le matériau présente trop de défauts, ou si le problème provient des connexions électriques du composant prototype », explique-t-elle. Sur la base de ces conclusions, tant la synthèse que le traitement du matériau sont perfectionnés – jusqu’à ce qu’il soit prêt à être utilisé. Il reste encore beaucoup de travail de développement à accomplir avant que les pérovskites de chalcogénures ne soient utilisées dans la pratique. Mais : « Notre étude a montré que ces matériaux recèlent un grand potentiel et que leur exploration mérite d’être poursuivie », résume Mirjana Dimitrievska.

Un sous-produit qui fait carrière

Les applications possibles peuvent évoluer au fur et à mesure du développement des matériaux. Les matériaux mis au point pour les cellules solaires présentent également un intérêt pour d’autres applications optoélectroniques, par exemple en tant que photodétecteurs. Et parfois, des applications totalement inattendues viennent s’y ajouter. La synthèse des pérovskites de chalcogénures à partir de leurs éléments de base génère un sous-produit. Au lieu de la structure cristalline de la pérovskite, de minuscules structures en forme d’aiguilles à section hexagonale se forment. Cette forme, autrefois indésirable, possède des propriétés étonnantes. Les aiguilles de chalcogénure polarisent, réfractent et conduisent la lumière d’une manière tout à fait particulière et présentent en outre un potentiel en tant que supraconducteurs et matériaux quantiques.

Dans le cadre d’un projet soutenu par le Fonds national suisse (FNS) au titre du programme international « Weave », Mirjana Dimitrievska et son équipe, en collaboration avec l’université Friedrich-Alexander d’Erlangen-Nuremberg en Allemagne, souhaitent désormais étudier ces « aiguilles quantiques », mieux comprendre leurs propriétés uniques, perfectionner leur fabrication et les intégrer dans les premiers composants photoniques et électroniques.