Pérovskites et cellules tandem : le solaire qui veut dépasser le silicium
En quinze ans, une famille de cristaux faciles à fabriquer a rattrapé le silicium, puis l'a dépassé en s'empilant sur lui. Reste une question décisive : combien de temps ces cellules tiennent-elles au soleil ?
Le silicium règne sur le photovoltaïque depuis un demi-siècle, et il approche de ses limites. En avril 2025, une cellule de silicium seule a atteint 27,81 % de rendement, un record certifié par l'institut allemand ISFH. Pour aller plus loin, les laboratoires misent sur une famille de matériaux arrivée tard dans la course : les pérovskites. Seules, elles rivalisent déjà avec le silicium ; posées sur lui, elles le dépassent nettement.
Un cristal venu de la minéralogie
Le mot désigne d'abord un minéral, le titanate de calcium, nommé en l'honneur du minéralogiste russe Lev Perovski. Par extension, on appelle pérovskite tout cristal qui adopte la même architecture, notée ABX₃. Dans les cellules solaires, il s'agit le plus souvent d'halogénures : A est une petite molécule organique ou du césium, B est du plomb, X est de l'iode ou du brome. L'exemple historique est l'iodure de plomb et de méthylammonium.
Ces cristaux absorbent très fortement la lumière, si bien qu'une couche bien plus mince qu'une plaquette de silicium suffit. Surtout, ils se déposent à partir d'une solution et à basse température, alors que le silicium exige des fours et une grande pureté. En 2009, l'équipe japonaise de Tsutomu Miyasaka publie la première cellule de ce type : 3,8 % de rendement. Elle atteint 10,9 % en 2012. Les meilleures cellules simples dépassent aujourd'hui 27 % en laboratoire, mais sur des surfaces inférieures au centimètre carré.
Le principe du tandem
Un photon transporte une énergie E = hc/\lambda, où h est la constante de Planck, c la vitesse de la lumière et \lambda la longueur d'onde. Une cellule ne convertit que les photons dont l'énergie dépasse sa bande interdite E_g, et l'excédent est perdu en chaleur. Le silicium, avec E_g \approx 1{,}12 eV, absorbe presque tout le spectre visible, mais gaspille une bonne partie de l'énergie des photons bleus.
D'où l'idée du tandem : on pose au-dessus du silicium une couche de pérovskite dont la bande interdite est plus large. Elle absorbe le bleu et le vert avec moins de pertes, et laisse passer le rouge et l'infrarouge vers le silicium placé dessous. Avantage des pérovskites : on règle leur bande interdite en jouant sur la composition, par exemple sur la proportion d'iode et de brome.
Les progrès ont été rapides. Le fabricant chinois LONGi annonçait 33,9 % fin 2023, 34,6 % en juin 2024, puis 34,85 % en avril 2025 pour une cellule tandem à deux bornes, chaque fois certifiés par le laboratoire américain NREL. Selon l'entreprise, la limite théorique de ce type d'empilement est voisine de 43 %. Prudence toutefois : les records changent plusieurs fois par an, et seul le tableau des records tenu à jour par le NREL fait foi à une date donnée.
La question de la durabilité
Un panneau de silicium tient plusieurs décennies sur un toit. Les pérovskites, elles, sont fragiles. L'humidité décompose le cristal en iodure de plomb jaune, et ce processus est accéléré par les ultraviolets et l'oxygène. La chaleur et la migration des ions à l'intérieur du matériau dégradent aussi les performances. Les chercheurs y répondent par de nouvelles compositions, des couches protectrices et des encapsulations étanches, qui doivent aussi empêcher toute fuite du plomb contenu dans la cellule.
Tsutomu Miyasaka lui-même estime désormais que la durabilité est une priorité plus urgente que le rendement. Le passage au marché a commencé : en septembre 2024, l'entreprise Oxford PV a livré ses premiers panneaux tandem, d'un rendement de 24,5 %, à une centrale américaine. Les années de fonctionnement réel diront si les promesses tiennent.
Et sur Terre ?
L'enjeu est d'abord terrestre : produire plus d'électricité sur la même surface. Oxford PV annonce jusqu'à 20 % d'énergie en plus par rapport à un panneau de silicium standard, ce qui réduit la surface au sol et le coût du kilowattheure. Les pérovskites peuvent aussi être déposées sur des supports souples et légers, utiles pour les toitures qui ne supportent pas de panneaux classiques ou pour des abris de secours.
Dans l'espace, ces qualités comptent double, car chaque kilogramme lancé coûte cher. En 2020, la NASA a fixé des échantillons de pérovskite à l'extérieur de la Station spatiale internationale. Rentrés sur Terre en janvier 2021 après dix mois en orbite, ils avaient bien résisté, et l'arrangement de leurs cristaux s'était même amélioré. Des générateurs souples et très légers, qualifiés pour l'espace, sont l'objet d'une marche d'Anthropolaris (voir la marche D-NRG-09).
Reste à démontrer ce que les essais accélérés ne prouvent qu'en partie : qu'une cellule tandem garde ses performances pendant vingt ou trente ans, sous la pluie, le gel et le soleil. Les chercheurs explorent déjà l'étape suivante, les empilements à trois couches, qui pourraient franchir de nouveaux paliers de rendement si la question de la durée de vie est réglée.