Comparative and comprehensive study on structural and optical properties of Methylammonium Lead Iodide and Methylammonium Bismuth Iodide

La recherche d'une énergie plus propre s'est longtemps concentrée sur des matériaux capables de capturer la lumière du soleil et de la transformer en électricité avec une efficacité remarquable. Parmi les candidats les plus prometteurs figurent une famille de cristaux connus sous le nom de pérovskites, qui ont récemment révolutionné le domaine de l'énergie solaire. Ces matériaux sont constitués d'un arrangement spécifique d'atomes qui leur permet d'absorber intensément la lumière et de déplacer rapidement les charges électriques. Pendant des années, la version la plus efficace de ces cristaux a reposé sur le plomb, un élément qui leur permet d'atteindre des performances exceptionnelles mais qui introduit également un problème grave : le plomb est toxique. Il pose des risques importants pour la santé humaine et l'environnement, affectant le système nerveux et les organes, et peut s'accumuler dans le sol et l'eau. Cela crée un dilemme difficile pour les scientifiques : comment conserver la haute performance de ces matériaux solaires tout en éliminant l'élément dangereux qui les rend nocifs.

Dans une étude publiée en août 2026, les chercheurs Hasan Abbas et Zishan H. Khan, de l'université Jamia Millia Islamia en Inde, ont abordé ce défi en comparant le cristal standard à base de plomb avec une nouvelle alternative sans plomb. Ils ont entrepris de créer deux matériaux spécifiques en laboratoire : l'iodure de méthylammonium et de plomb, bien connu et contenant du plomb, et un nouveau composé appelé iodure de méthylammonium et de bismuth, qui remplace le plomb par le bismuth, un élément beaucoup plus sûr. L'équipe ne s'est pas contentée de mélanger des produits chimiques ; elle a soigneusement cultivé des couches minces de ces matériaux sur des plaques de verre, puis les a soumises à une batterie de tests pour observer comment elles étaient construites et comment elles interagissaient avec la lumière. Leur objectif était de comprendre si la version de bismuth, plus sûre, pouvait égaler la qualité structurelle et les capacités d'absorption de la lumière de la version au plomb, ou si elle échouerait de manières qui empêcheraient son utilisation dans des panneaux solaires réels.

Les chercheurs ont commencé par synthétiser les deux matériaux en utilisant une méthode de solution liquide, un processus qui consiste à dissoudre les ingrédients bruts dans un solvant puis à les sécher pour former un film solide. Une fois les films créés, ils les ont examinés sous de puissants microscopes pour voir à quoi ils ressemblaient à une échelle minuscule. Les images ont révélé que le film de bismuth sans plomb était exceptionnellement lisse et dense, dépourvu des petits trous ou interstices qui apparaissent parfois dans la version à base de plomb. Les cristaux de bismuth formaient également des structures légèrement plus grandes que leurs homologues au plomb. Lorsque l'équipe a examiné l'arrangement interne des atomes à l'aide de la diffraction des rayons X, une technique qui révèle la structure cristalline, elle a constaté que le matériau de bismuth était en fait plus ordonné et uniforme que le matériau au plomb. Ce degré d'ordre plus élevé suggérait que le film sans plomb était de très haute qualité, potentiellement même meilleur en termes de structure physique que la version traditionnelle au plomb.

Ensuite, l'équipe a porté son attention sur la manière dont ces matériaux gèrent la lumière, ce qui est le facteur le plus critique pour une cellule solaire. Ils ont projeté de la lumière sur une large gamme de couleurs, de l'ultraviolet à l'infrarouge, pour voir quelle quantité était absorbée et quelle quantité traversait les matériaux. Les résultats ont montré que les deux matériaux étaient excellents pour capturer la lumière, mais qu'ils le faisaient de manières légèrement différentes. Le matériau à base de plomb absorbait la lumière le plus fortement à une longueur d'onde de 760 nanomètres, tandis que le bismuth culminait à 530 nanomètres. La version au plomb était capable d'absorber une gamme plus large du spectre visible, ce qui est un avantage clé pour générer de l'électricité. Les chercheurs ont également calculé comment la lumière voyageait à travers les matériaux et ont constaté que le film sans plomb était plus uniforme, avec moins d'imperfections susceptibles de disperser la lumière. Cette uniformité, combinée à la surface lisse observée sur les images de microscopie, indiquait que le matériau de bismuth possédait une structure interne très cohérente.

La découverte la plus significative concernait l'écart d'énergie, ou la quantité spécifique d'énergie requise pour libérer un électron afin qu'il puisse transporter un courant. Le matériau à base de plomb présentait un écart d'énergie de 1,65 électron volt, une valeur très proche de l'idéal théorique pour une cellule solaire monocouche. Cette correspondance quasi parfaite explique pourquoi les pérovskites à base de plomb ont été si performantes pour convertir la lumière du soleil en énergie. En revanche, le matériau de bismuth sans plomb présentait un écart d'énergie plus large de 2,23 électron volts. Bien que cette valeur soit toujours utile, cela signifie que le matériau absorbe une partie différente du spectre solaire et est moins efficace pour capturer toute la gamme de la lumière solaire par rapport à la version au plomb. L'étude a également examiné comment les matériaux émettent de la lumière après l'avoir absorbée, un processus appelé photoluminescence. Le matériau au plomb brillait à une longueur d'onde de 760 nanomètres, tandis que le bismuth brillait à 590 nanomètres, confirmant les différences entre leurs écarts d'énergie.

En fin de compte, l'étude brosse le portrait de deux matériaux dotés de forces distinctes. La pérovskite de bismuth sans plomb s'est avérée structurellement supérieure à bien des égards, formant un film plus lisse et plus uniforme avec moins de défauts que la version au plomb. Elle est également exempte de la toxicité qui rend le plomb si dangereux. Cependant, le matériau à base de plomb conserve un avantage crucial : son écart d'énergie est plus proche de l'idéal pour l'énergie solaire, lui permettant de récolter plus d'énergie du rayonnement solaire. Les chercheurs ont conclu que, bien que l'option sans plomb soit très prometteuse et offre de meilleures propriétés morphologiques, elle nécessite encore une optimisation supplémentaire pour égaler l'efficacité de sa rivale à base de plomb. Les travaux suggèrent que la voie à suivre consiste à affiner ces matériaux plus sûrs, peut-être en ajustant leur composition, afin de rapprocher leurs performances des normes élevées établies par les cristaux au plomb, certes toxiques mais hautement efficaces.