Bien qu’elles représentent une solution très prometteuse pour capter l’énergie solaire, les cellules photovoltaïques à pérovskite contiennent du plomb. Ce dernier est toxique pour l’environnement et peut nuire gravement à la santé. Des scientifiques de l’EPFL ont aujourd’hui trouvé une solution plus écologique et efficace. Elle consiste à ajouter un sel de phosphate transparent qui n’interfère pas avec le rendement de conversion de lumière tout en empêchant le plomb de s’infiltrer dans le sol en cas de panne de panneau solaire.
« La conversion de l’énergie solaire en électricité des cellules photovoltaïques à pérovskite est incroyablement élevée, environ 25 %, ce qui se rapproche désormais des performances des meilleures cellules photovoltaïques à base de silicium », déclare le professeur László Forró de la Faculté des Sciences de Base de l’EPFL. « Mais leur élément central est le plomb, qui est un poison. Si le panneau solaire tombe en panne, le plomb peut être lessivé dans le sol, entrer dans la chaîne alimentaire et provoquer de graves maladies. »
Le problème est que dans la plupart des pérovskites aux halogénures, le plomb peut se dissoudre dans l’eau. Cette solubilité dans l’eau et dans d’autres solvants représente en fait un grand avantage, car elle rend la fabrication de panneaux solaires à pérovskite plus simple et peu coûteuse – un autre atout en plus de leurs performances. Mais la solubilité du plomb dans l’eau peut devenir un véritable danger pour l’environnement et la santé lorsque le panneau se casse ou est mouillé, par exemple en cas de pluie.
Le plomb doit donc être capturé avant qu’il n’atteigne le sol, et son recyclage doit être possible. Cette question fait l’objet de nombreuses recherches approfondies. Elle constitue en effet le principal obstacle pour les autorités réglementaires dans le cadre de l’approbation de la fabrication de cellules photovoltaïques à pérovskite à grande échelle et à des fins commerciales. Cependant, les tentatives de synthèse de pérovskites non solubles dans l’eau et sans plomb ont donné de mauvais résultats.
Aujourd’hui, le groupe de László Forró a trouvé une solution plus écologique et efficace. Elle consiste à utiliser un sel de phosphate transparent, qui ne bloque pas la lumière solaire et ne nuit donc pas aux performances. Et si le panneau solaire tombe en panne, le sel de phosphate réagit immédiatement avec le plomb en produisant un composé insoluble dans l’eau qui ne peut pas être lessivé dans le sol et qui peut être recyclé. Ses travaux sont publiés dans ACS Applied Materials & Interfaces.
«Il y a quelques années, nous avons découvert que des cristaux de sel de phosphate transparents et bon marché, comme ceux que l’on trouve dans les engrais du sol, peuvent être incorporés dans diverses parties des dispositifs à base de pérovskite aux halogénures de plomb en sandwich, tels que les photodétecteurs, les LED ou les cellules photovoltaïques», explique Endre Horváth, premier auteur de l’étude. «Ces sels réagissent instantanément avec les ions plomb en présence d’eau, et les précipitent en phosphates de plomb extrêmement peu solubles dans l’eau.»
« La chimie “à sécurité intégrée” empêche le lessivage des ions plomb et peut rendre les dispositifs à pérovskite plus sûrs pour une utilisation dans l’environnement ou à proximité des êtres humains », explique Márton Kollár, le chimiste à l’origine du développement des cristaux de pérovskite. « Nous montrons que cette approche peut servir à fabriquer des photodétecteurs fonctionnels. Et nous proposons à la large communauté de chercheurs et de centres de R&D, qui travaillent sur divers dispositifs comme les cellules photovoltaïques et les diodes électroluminescentes, de la mettre en œuvre dans leurs prototypes respectifs », explique Pavao Andričević, qui a caractérisé les photodétecteurs sensibles.
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László Forró conclut : «C’est une étude extrêmement importante – je dirais même capitale – pour la commercialisation à grande échelle des cellules photovoltaïques à pérovskite.»
Auteur: Nik Papageorgiou
Financement / ERC Advanced Grant “Picoprop”
Références : Endre Horváth, Márton Kollár, Pavao Andričević, Lidia Rossi, Xavier Mettan, László Forró. Fighting Health Hazards in Lead Halide Perovskite Optoelectronic Devices with Transparent Phosphate Salts. ACS Applied Materials & Interfaces 15 July 2021. DOI: 10.1021/acsami.0c21137
