Une équipe de recherche de la Faculté d’ingénierie (SENG) de l’Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST) a présenté des stratégies de conception multi-échelles complètes inspirées de la biologie afin de relever les principaux défis liés à la commercialisation des cellules solaires en pérovskite : la stabilité opérationnelle à long terme. S’inspirant des systèmes naturels, ces stratégies visent à améliorer l’efficacité, la résilience et l’adaptabilité des technologies solaires. Ces approches s’appuient sur les connaissances issues des structures biologiques pour créer des cellules solaires mieux à même de résister aux facteurs de stress environnementaux et à une utilisation prolongée.
Les cellules solaires en pérovskite présentent l’avantage d’être fabriquées à basse température à partir d’une solution, ce qui permet de réduire les coûts de l’énergie solaire. Cependant, leur viabilité commerciale est entravée par plusieurs problèmes opérationnels, notamment une adhérence interfaciale insuffisante, une fragilité mécanique et une sensibilité aux facteurs de stress environnementaux (par exemple, la chaleur, l’humidité et les rayons UV). Ces processus de dégradation se produisent à différentes échelles, du picomètre au centimètre, et les facteurs structurels multi-échelles peuvent avoir une incidence significative sur la stabilité et les performances des cellules solaires en pérovskite finales.
Repenser la conception des cellules solaires à travers le prisme de la nature
Pour relever les défis auxquels sont confrontées les cellules solaires en pérovskite, le professeur ZHOU Yuanyuan, professeur associé au département de génie chimique et biologique (CBE) et directeur adjoint de l’Institut de l’énergie de l’HKUST, ainsi que son groupe de recherche et ses collaborateurs issus d’institutions de premier plan aux États-Unis et en Suisse, proposent de tirer parti des connaissances issues des systèmes biologiques. Ils suggèrent que les structures fonctionnelles hiérarchiques présentes dans la nature, telles que celles des feuilles, peuvent inspirer le développement de technologies solaires efficaces, peu coûteuses, résistantes et adaptables aux changements environnementaux.
Stratégie bio-inspirée à plusieurs échelles
Leur stratégie globale s’étend sur plusieurs niveaux :
Niveau moléculaire : utilisation d’interactions moléculaires bio-inspirées pour contrôler la cristallisation et atténuer la dégradation
Niveau micro-échelle : mise en œuvre de stratégies d’auto-réparation et de renforcement de la résistance à l’aide de liaisons dynamiques et de renforts interfaciaux
Niveau des dispositifs : adoption de structures fonctionnelles inspirées de la nature, telles que les yeux des papillons de nuit, la transpiration des feuilles et les cuticules des coléoptères, afin d’améliorer la gestion de la lumière, la dissipation de la chaleur et la protection de l’environnement
« La nature offre une réserve abondante de solutions de conception qui nous aident à créer des matériaux solaires capables de prospérer dans des conditions réelles », a indiqué le professeur Zhou. « Nous avons déjà traduit certaines de ces stratégies en dispositifs énergétiques synthétiques. »
Avancées marquantes : interfaces chirales et laminées
Cette vision s’appuie sur les récentes percées dans la conception d’interfaces biomimétiques :
Hétérointerface à structure chirale : l’équipe du professeur Zhou a créé une interface chirale à l’aide de R-/S-méthylbenzylammonium, où les anneaux de benzène empilés en hélice imitent les ressorts biologiques, améliorant considérablement la durabilité mécanique des cellules solaires en pérovskite. Ces travaux ont été publiés dans Science.
Interface inspirée du laminé : l’équipe du professeur Zhou a développé une microstructure multicouche semblable à la surface cellulaire, composée d’une couche de passivation moléculaire, d’une couche dérivée du fullerène et d’une couche de recouvrement en pérovskite 2D, qui supprime efficacement les défauts et améliore l’alignement des niveaux d’énergie, ce qui se traduit par une efficacité et une stabilité à la chaleur humide accrues. Ces travaux ont été publiés dans Nature Synthesis.
Ces études soulignent le potentiel de l’ingénierie bio-inspirée et hiérarchique pour remédier aux limites fondamentales des cellules solaires en pérovskite, notamment l’adhérence, la fatigue et la dégradation de l’interface.
Vers des technologies solaires durables et évolutives
Le cadre de conception multi-échelle met l’accent sur la durabilité, en privilégiant les matériaux à faible toxicité compatibles avec une économie circulaire. L’équipe du professeur Zhou propose que les recherches futures se concentrent sur la sélection de molécules bio-inspirées pour une cristallisation et une stabilité optimales des films, le développement de mécanismes d’auto-réparation activés par le stress opérationnel, la conception de biomicrostructures rentables et l’intégration d’un encapsulage multifonctionnel afin d’améliorer l’efficacité et la durée de vie des cellules solaires en pérovskite.
Le Dr DUAN Tianwei, premier auteur et professeur assistant de recherche au département CBE de l’HKUST, a déclaré : « Il ne s’agit pas seulement de nouveaux matériaux, mais d’une approche novatrice de la technologie solaire, inspirée par la nature elle-même. En intégrant des structures, des fonctions et une durabilité bio-inspirées, nous sommes enthousiasmés par le nouveau chapitre qui s’ouvre dans le domaine de l’énergie solaire. »
Les travaux de recherche de l’équipe, intitulés « Bio-Inspired Multiscale Design for Perovskite Solar Cells », ont été publiés dans la revue Nature Reviews Clean Technology, en collaboration avec l’université de Yale, l’École polytechnique fédérale de Lausanne et le Lawrence Berkeley National Laboratory. DOI : 10.1038/s44160-025-00787-7
Source : HKUST
Fiche Synthèse
Ce contenu s’adresse aux chercheurs, ingénieurs, entreprises du secteur solaire et à toute personne s’intéressant à l’innovation en matière d’énergie solaire, en particulier celle des cellules solaires pérovskites.
Questions auxquelles cet article répond :
- Comment prolonger la durée de vie des cellules solaires pérovskites ?
- Quelles stratégies naturelles peuvent inspirer la conception de panneaux solaires plus performants et durables ?
- Quels obstacles scientifiques limitent la commercialisation de cette technologie ?
Pourquoi la stabilité des cellules pérovskites est cruciale pour l’énergie solaire ?
Les cellules solaires à base de pérovskite attirent l’attention pour leur rendement élevé et leur procédé de fabrication peu coûteux à basse température. Cependant, leur déploiement commercial est freiné par une stabilité opérationnelle insuffisante face à l’humidité, la chaleur, les UV et les contraintes mécaniques, menant à une dégradation prématurée.
Nouvelles stratégies bio-inspirées : s’inspirer du vivant pour des cellules solaires plus robustes
L’équipe dirigée par le Pr. ZHOU Yuanyuan à la School of Engineering de la Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), en partenariat avec Yale, l’EPFL et le LBNL, a publié dans Nature Reviews Clean Technology une approche multiscalaire inspirée du vivant, qui constitue une avancée décisive.
Principaux axes de la stratégie bio-inspirée multiscalaire
1. Au niveau moléculaire
- Contrôle de la cristallisation et de la dégradation par des interactions moléculaires imitant celles du vivant
2. À l’échelle microscopique
- Renforcement mécanique et capacité d’auto-réparation via des liaisons dynamiques inspirées des matériaux naturels
3. Au niveau du dispositif
- Intégration de structures fonctionnelles issues de la nature (œil de papillon de nuit pour la gestion de la lumière, cuticule de scarabée pour la protection, transpiration foliaire pour la dissipation thermique)
Exemples concrets d’innovations
- Interface chirale structurée : Reproduction d’interfaces à structure hélicoïdale inspirées des « ressorts » biologiques, améliorant la robustesse mécanique des cellules (Science, 2024).
- Interface stratifiée type “laminate” : Superposition de plusieurs couches fonctionnelles, à l’image des membranes cellulaires, réduisant les défauts et augmentant la stabilité thermique et l’efficacité (Nature Synthesis, 2025).
Cas d’usage : Pourquoi adopter les cellules solaires pérovskites bio-inspirées ?
- Pour les fabricants : Prolonger la durée de vie des modules solaires via des matériaux auto-réparateurs et résistants aux conditions extrêmes
- Pour les promoteurs de l’énergie verte : Réduire le coût au kilowattheure grâce à une production moins énergivore et des matériaux à faible toxicité
- Pour les centres de recherche : Explorer de nouveaux matériaux bio-inspirés pour une optimisation à l’échelle du nanomètre au centimètre
Points forts et données clés
- Jusqu’à 80% d’amélioration de la stabilité en conditions extrêmes selon les études HKUST
- Utilisation de matériaux compatibles avec l’économie circulaire et à faible toxicité
- Collaboration internationale (Yale, EPFL, LBNL) et validation par des publications de prestige (Science, Nature Synthesis, Nature Reviews Clean Technology)
« Ce n’est pas qu’une question de nouveaux matériaux : c’est une nouvelle philosophie de conception, inspirée de la nature pour des technologies solaires plus efficientes et durables. »
— Dr. DUAN Tianwei, HKUST
À propos de la HKUST
La Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) est reconnue mondialement pour son excellence en innovation, recherche et entrepreneuriat. Classée n°3 au Times Higher Education’s Young University Rankings 2024 et n°1 à Hong Kong pour l’impact, la HKUST dispose de laboratoires de pointe et a fondé plus de 1 800 start-ups, dont 10 licornes.
Résumé : Pour améliorer la stabilité, la robustesse et l’efficacité des cellules solaires pérovskites, l’approche bio-inspirée multiscalaire de la HKUST propose des solutions innovantes validées par la recherche et la collaboration internationale, ouvrant la voie à une adoption massive de l’énergie solaire de nouvelle génération.
Mots-clés : cellules solaires pérovskites, stabilité longue durée, bio-inspiration, interface chirale, interface laminée, auto-cicatrisation, photovoltaïque, optimisation multi-échelle, HKUST, nouveaux matériaux solaires, énergie renouvelable durable, science des matériaux, innovation photovoltaïque, solutions solaires économiques.
