Les derniers travaux du groupe pérovskite Rennais sont publiés dans Science et font aussi l’objet de deux articles dans les numéros d’avril et mai de Nature Synthesis.
Des vidéos publiées sur youtube expliquent les résultats décrits dans Science et Nature Synthesis.
Un article grand public intitulé «Photovoltaïque : les dernières avancées des pérovskites, la filière émergente qui voudrait booster le silicium » a d’autre part été rédigé pour le média online « The Conversation » par Claudine Katan, Aditya Mohite, Georges Volonakis et Jacky Even pour expliquer la démarche générale.
On vous explique tout ci-dessous!
Le travail publié dans les journaux Science et Nature Synthesis résulte d’une collaboration de plus d’une décennie entre le groupe pérovskite Rennais et le groupe d’Aditya Mohite localisé à l’université Rice de Houston. La photo prise sur le campus de Houston présente quelques uns des auteurs principaux des trois papiers publiés en 2026.
La stabilité, problématique majeure des dispositifs pérovskites
La stabilité des pérovskites synthétiques à réseau 3D en conditions ambiantes représente un facteur clé pour la durée de vie des dispositifs photovoltaïques. Les compositions 3D sont entre autres sensibles à l’humidité, avec formation de composés hydratés ou oxydés, dégradation de la qualité cristalline de la phase noire accompagnée de l’apparition de phases cristallines secondaires. Des problématiques de stabilité se posent aussi à l’échelle du dispositif en fonction du temps ou en conditions opérationnelles (lumière, courant), avec par exemple des phénomènes d’hystérèse et des dégradations liées aux matériaux d’interfaces. Cette dernière décennie, différentes stratégies ont été mises en place pour réduire les diverses sources d’instabilité.
Un millefeuilles de dimensionnalités
De nombreuses études et records -encore aujourd’hui- s’appuient sur des mélanges (alliages) de pérovskites synthétiques 3D. Toutefois, ces mélanges sont sujets à des phénomènes de démixtion et/ou à des déformations du réseau cristallin, notamment sous irradiation lumineuse, conduisant à une dégradation irréversible. Au sein de la communauté internationale, l’ingénierie des ligands a pris une place prépondérante avec l’exploration de divers acides (e.g. carboxylique ou phosphonique, potentiellement réticulé) qui viennent passiver les défauts à l’instar des liaisons pendantes du plomb. L’ajout de sels de cations organiques hydrophobes à tête ammonium de plus grande taille est également très populaire, malgré une investigation limitée de la façon dont ceux-ci s’insèrent dans le matériau photoactif. Cet ajout peut par exemple conduire à des cavités organisées ou non, alors qu’elle est généralement supposée former une fine couche de pérovskites en feuillets (2D).
La collaboration entre les deux équipes Rennaises (Institut FOTON et ISCR) et les universités Rice (Houston) et Northwestern (Chicago) a particulièrement mis en avant l’utilisation de pérovskites de basse dimensionnalité pour résoudre le problème de la stabilité des cellules solaires en fonctionnement. La grande versatilité chimique offerte par cette réduction de dimensionnalité a permis d’étendre la gamme de compositions et de structures de façon considérable durant la dernière décennie. Dès les années 90, les structures lamellaires ou encore bidimensionnelles (2D) combinant des sections composées d’un octaèdre de réseau pérovskite sandwichées entre deux couches de cations organiques étaient déjà connues pour leur robustesse. Ces millefeuilles, où la crème correspond à la couche de cations organiques et la pâte à la couche pérovskites, peuvent également contenir des couches de pâte plus épaisses constituées d’un nombre contrôlé d’octaèdres supérieur à un. La stratégie associant pérovskites 2D et 3D au sein d’une même cellule solaire, combinant la stabilité des premières aux rendements de conversion record des deuxièmes, a donc naturellement émergé.
L’extraction efficace de l’électricité produite par un empilement bicouche 2D/3D, dépend de manière cruciale du choix de la largeur des feuillets pérovskites au sein de la couche 2D, de son épaisseur, de l’orientation des feuillets pérovskites par rapport aux couches qui l’entourent et d’autres facteurs plus techniques. L’optimisation des procédés de fabrication des films alliés à une meilleure compréhension de l’interaction entre divers solvants et les éléments chimiques utilisés pour la fabrication de ces films a permis d’identifier la meilleure combinaison de solvants et ainsi de déposer dès 2022 des couches 2D épaisses sans détruire les couches 3D (S. Sidhik et al, Science 2022). Ceci augmente non seulement la stabilité de la cellule solaire en fonctionnement mais également son rendement. Néanmoins, même si la cellule retient 99% de son efficacité après 2000h de fonctionnement, la couche 3D est un alliage complexe encore sujet à de l’instabilité chimique et à la démixtion. Parmi les compositions simples, sans effet d’alliage, l’une d’entre découverte en 2013 (FAPbI3) est particulièrement attractive car elle couvre une gamme d’énergie plus large, notamment favorable à l’absorption de photons moins énergétiques et proche de la valeur minimale optimum. Néanmoins, l’instabilité structurale intrinsèque de sa phase noire, avec une transformation vers une phase jaune, est très difficile à supprimer en dessous de 150°C. Ce problème a pu être contourné en 2024 (S. Sidhik et al, Science 2024) grâce à des inclusions de nano-domaines 2D et une ingénierie des contraintes. Le concept utilisé pour guider le choix de la pérovskite 2D appropriée, s’inspire d’un principe bien connu dans la croissance des semiconducteurs classiques. Il s’apparente à l’utilisation d’un canevas dont les espacements offrent la meilleure correspondance avec ceux de la couche à déposer. La couche 2D correspond au canevas qui vient stabiliser le film 3D dans sa phase pérovskite en imposant la périodicité propre à la phase 2D. Ainsi, ce choix éclairé d’inclusions de pérovskites 2D au sein de la matrice 3D sans alliage donne des stabilités accrues avec un équivalent de 97% d’efficacité préservée au bout de 16000h.
Quoi de neuf sous le soleil ?
Les tous derniers travaux publiés dans Science en 2026 (R. Garai et al, Science 2026) s’appuyant sur cette stratégie nous rapprochent encore plus de la stabilité requise en vue d’une commercialisation. En comprenant par quel chemin le matériau pérovskite passe de la phase noire à la phase jaune, nous avons pu ajouter un additif spécifique qui a permis de soumettre les cellules à des tests encore plus drastiques : un flux lumineux équivalent à 15 soleils ! En parallèle, la découverte récente des pérovskites 2D multicouches ayant la symétrie la plus haute possible permet à l’électricité de ne pas subir de perte sur un chemin encore plus long qu’auparavant et, ainsi, d’envisager des dépôts de couches 2D encore plus épaisses. Ce travail vient de mener à une publication cosignée avec le Professeur Aditya Mohite (Rice University, USA) dans la revue Science. Cet article, fruit de la collaboration entre Jacky Even (Institut FOTON) et Claudine Katan (Institut des Sciences Chimiques de Rennes), met en valeur ainsi le travail de l’équipe Rennaise conjointe FOTON/ISCR.
Ce travail est par ailleurs complété par deux articles conjoints publiés simultanément dans Nature Synthesis. L’un porte sur la découverte d’une nouvelle famille de pérovskites 2D, de très haute symétrie et avec des longueurs de diffusion de porteurs record (J. Hou, Nature Synthesis 2026), l’autre sur la mise en œuvre d’un procédé de croissance 2D/3D à basse température utilisé pour stabiliser des cellules solaires ou des mini-modules solaires de 25cm2 (Y. Jang, Nature Synthesis 2026).
Articles scientifiques associés:
- « Bypassing the yellow phase for extremely stable formamidinium lead iodide perovskite solar cells », paru dans Science (2026)| DOI : 10.1126/science.aeb7992
- « Exciton diffusion beyond 2 μm enabled by maximum symmetry in two-dimensional perovskites », paru dans Nature Synthesis (2026)| DOI : 10.1038/s44160-026-01041-4
- « Selective iodoplumbate cold casting for kinetically stabilized perovskites leading to high-efficiency photovoltaic modules », paru dans Nature Synthesis (2026)| DOI : 10.1038/s44160-026-01070-z