Le cristal qui fait rêver

​(De "Horizons" no 107, décembre 2015)​
Depuis quelques années, un nombre croissant de physiciens, chimistes et autres ingénieurs cèdent aux sirènes d’un matériau au nom exotique: les pérovskites. Cette famille d’oxydes se retrouve au coeur d’une foule de projets de recherche dans des champs aussi divers que prometteurs, allant de l’énergie solaire à la microélectronique en passant par les lasers.

Il faut remonter à 1839 pour trouver une première mention de la pérovskite, qui désigne alors une roche de titanate de calcium (CaTiO3) nommée ainsi en hommage au minéralogiste russe Lev Perovski. Le terme recouvre depuis tout un ensemble de matériaux contenant deux groupements d’atomes oxydés et basés sur la même structure cristalline cubique.

Le matériau sur mesure

Une telle organisation moléculaire est très commune, "probablement la forme cristalline la plus répandue sur Terre", précise Jean-Marc Triscone, physicien à l’Université de Genève. Là où les choses deviennent intéressantes, c’est que "le moindre petit changement des éléments de base modifie radicalement toutes les propriétés du matériau", poursuit le chercheur. Il suffit de prendre une pérovskite magnétique et de substituer un élément par un autre pour obtenir un tout autre matériau qui a perdu son magnétisme au profit, par exemple, d’une meilleure conductivité. Il est même possible d’associer plusieurs pérovskites pour qu’émergent de nouvelles propriétés imprévues. "C’est comme des Lego: on peut les empiler et construire une nouvelle structure – parfaite car les structures cristallines sont identiques – aux propriétés différentes de celles des composés parents."

Les physiciens caressent le désir un peu fou de disposer d’un matériau 100% à la demande, élaboré en fonction des besoins. A Genève, Jean-Marc Triscone essaie ainsi d’assembler des pérovskites en un supraconducteur (un matériau dans lequel le courant circule sans aucune résistance électrique) qui fonctionnerait à température ambiante. D’autres physiciens tentent de fabriquer des aimants pour l’accélérateur de particules du CERN basés sur des oxydes supraconducteurs. La structure de ces derniers – qui ont valu en 1987 le Nobel de physique à Georg Bednorz et Alex Müller d’IBM Zurich – ressemble à un empilement de pérovskites.

Il ne s’agit que d’un exemple parmi une multitude d’applications potentielles, qui vont de la conception de lasers et de LED à de nouveaux types de mémoires informatiques. Autre champ prometteur: les pérovskites ferroélectriques, des cristaux constitués d’ions et qui présentent par conséquent une polarisation électrique naturelle. Appliquer un champ électrique change l’orientation des domaines ferroélectriques et altère subtilement la structure cristalline de la pérovskite, ce qui modifie également les propriétés thermiques du matériau. De tels isolants "intelligents pourraient ainsi compenser de manière active les écarts de températures importants subis par des microprocesseurs ou par des composants de satellites ou de moteurs de véhicules. Cependant "l’effet n’a pour l’instant été observé qu’à de très basses températures de l’ordre de 80 kelvins (– 193 °C, ndlr)», explique Christian Monachon, un physicien suisse qui travaille à l’Université Berkeley en Californie. L’obstacle ne lui paraît pas insurmontable: "Mes recherches m’amènent à penser qu’on pourra obtenir des matériaux à conductivité thermique variable, par exemple à base de titanate de baryum, que j’étudie en ce moment."

Le roi Soleil

Mais les pérovskites suscitent surtout un intérêt pour les applications dans le photovoltaïque. En cinq ans, le rendement des cellules solaires à pérovskite a quadruplé et atteint presque celui des cellules en silicium, auxquelles elles pourraient bien faire de l’ombre.

Pourtant, cette application n’avait pas vraiment séduit les scientifiques au départ. "Depuis les années 1980, les chercheurs travaillaient avant tout sur la conception de lasers", raconte Jacky Even, de l’Institut national des sciences appliquées de Rennes (France) et fin connaisseur du dossier. La rencontre entre pérovskites et Soleil date de 2009 lorsqu’une équipe de l’Université Toin à Yokohama essaie d’intégrer des pérovskites dans une cellule photovoltaïque. "C’était une idée inadaptée aux propriétés exceptionnelles de ces matériaux, poursuit le chercheur. Ils voulaient exalter l’absorption lumineuse de cellules solaires à colorant mais ont obtenu de piètres résultats, et l’article est resté inaperçu pendant les années suivantes."

Tout bascule en 2012 lorsque deux spécialistes du photovoltaïque, Henry Snaith,
de l’Université d’Oxford, et son ancien mentor Michael Grätzel, de l’EPFL, se penchent sur la question, chacun de leur côté. S’écartant du concept de cellule à colorant mis au point par Michael Grätzel dans les années 1990, les deux équipes concurrentes essayent de concevoir un nouveau type de cellule solaire dans laquelle une pérovskite – dont les atomes d’oxygène sont remplacés par de l’iode ou du brome – occupe un rôle central.

Comme le silicium dans les cellules solaires classiques, la pérovskite doit absorber
la lumière tout en transportant les charges électriques entre les électrodes. Encore
une fois, c’est sur l’aspect modulable du matériau que tout se joue. Une pérovskite
hybride combinant des groupements organiques et inorganiques permet d’obtenir
un matériau photovoltaïque qui absorbe dix fois plus de lumière que le silicium et
transporte les charges électriques de manière beaucoup plus efficace que les colorants classiques. "C’est un véritable saut conceptuel qui a débouché sur une nouvelle filière photovoltaïque", résume Jacky Even.

Une concurrence pour le silicium

Depuis lors, la bataille fait rage entre ces deux équipes, rejointes entre-temps par
d’autres groupes. A fin septembre 2015, Michael Grätzel a annoncé lors d’un congrès
à Lausanne avoir atteint 20,8% de rendement, contre 25,6% pour les meilleures
cellules à silicium, pourtant développées depuis plus de cinquante ans. "C’est une
compétition sévère avec de gros enjeux derrière, confirme Joël Teuscher, chercheur
au Photochemical Dynamics Group à l’EPFL. Mais elle est également saine."

Aujourd’hui, le temps de la course au rendement semble prendre fin. Les spécialistes
se posent désormais des questions plus fondamentales. "On cherche encore à comprendre comment tout cela fonctionne, glisse Joël Teuscher. Nous vivons une période passionnante où les travaux deviennent interdisciplinaires." Ces questionnements aideront également les chercheurs à résoudre les problèmes inhérents à ces matériaux comme leur instabilité (ils sont fragiles et solubles) ou
encore la présence de plomb dans les cristaux qui peut entraver de futurs développements commerciaux. Une objection que Jacky Even modère: "Une batterie de voiture contient huit kilos de plomb, tandis qu’un mètre carré de panneau solaire n’en contient qu’un demi gramme!"

Les pérovskites font rêver les scientifiques, mais toutes les applications n’aboutiront
pas. Pour chaque avantage, autant de problèmes surgissent. "Les pérovskites tracent une route fascinante, commente Jean-Marc Triscone. Peu importe si nombre de recherches ne donnent rien. Il en suffit peut-être d’une seule pour révolutionner
la physique."

Le journaliste scientifique Fabien Goubet travaille pour Le Temps.