Vers des cellules solaires pérovskites stables, sans plomb et compatibles avec les procédés écoresponsables : élaboration, optimisation et évaluation de leur durabilité

Les cellules solaires à base de pérovskites connaissent un essor remarquable depuis une dizaine d’années, avec des rendements de conversion dépassant aujourd’hui les 27 %. Ce fort potentiel ouvre la voie à une nouvelle génération de dispositifs photovoltaïques performants et à faible coût. Toutefois, deux verrous majeurs freinent encore leur industrialisation : leur stabilité limitée dans le temps et l'absence de procédés de fabrication compatibles avec une production à grande échelle et en conditions ambiantes. De plus, la présence de plomb dans la plupart des formulations pose des problèmes environnementaux et sanitaires, incitant à explorer des alternatives plus sûres.

Depuis son intégration à l’INES, l’équipe GUIDE du LEPMI développe une expertise reconnue dans la mise au point de cellules solaires pérovskites innovantes, notamment à travers des procédés de fabrication comme le drop casting et l’électrodéposition, réalisés à l’air libre. L’équipe combine fabrication de dispositifs, caractérisations multi-échelles et campagnes de vieillissement accéléré pour comprendre les mécanismes de dégradation et améliorer la durabilité.

Ce projet de thèse s’inscrit dans cette dynamique. Il vise à :

•             Développer des pérovskites mixtes et partiellement substituées au plomb, adaptées aux procédés développés au laboratoire (électrodéposition et drop casting).

•             Explorer des formulations totalement sans plomb, en optimisant la chimie des précurseurs (solvants, additifs, dopants).

•             Optimiser l’architecture des dispositifs, notamment les couches de transport et les électrodes, pour améliorer les performances.

•             Évaluer la stabilité des cellules les plus prometteuses dans des conditions extrêmes (85 °C / 85 % HR, illumination prolongée).

•             Explorer la recyclabilité des dispositifs et conduire une analyse simplifiée du cycle de vie pour intégrer des critères de durabilité environnementale.

Ce projet interdisciplinaire allie science et ingénierie des matériaux et analyse environnementale. Il contribuera à faire émerger une nouvelle génération de cellules photovoltaïques plus durables, sûres et adaptées à une production industrielle à faible impact.

Perovskite-based solar cells have experienced remarkable growth over the past decade, achieving power conversion efficiencies exceeding 27%. This high potential paves the way for a new generation of high-performance, low-cost photovoltaic devices. However, two major barriers still hinder their industrialization: their limited long-term stability and the lack of fabrication processes compatible with large-scale, ambient-condition production. Additionally, the presence of lead in most formulations raises environmental and health concerns, prompting the search for safer alternatives.

Since joining the INES (French National Institute of Solar Energy), the GUIDE team at LEPMI has developed recognized expertise in the development of innovative perovskite solar cells, particularly through air-based fabrication methods such as drop casting and electrodeposition. The team combines device fabrication, multi-scale characterizations, and accelerated aging campaigns to understand degradation mechanisms and improve durability.

This PhD project builds on this momentum. It aims to:

Develop mixed and partially lead-substituted perovskites compatible with laboratory-established processes (electrodeposition and drop casting);

Explore fully lead-free formulations by optimizing precursor chemistry (solvents, additives, dopants);

Optimize device architecture, particularly the transport layers and electrodes, to enhance performance;

Assess the stability of the most promising cells under extreme conditions (85 °C / 85% RH, prolonged illumination);

Explore device recyclability and conduct a simplified life cycle analysis (LCA) to integrate environmental sustainability criteria.

This interdisciplinary project bridges materials science, engineering, and environmental analysis. It will contribute to the emergence of a new generation of safer, more sustainable photovoltaic cells, adapted for low-impact industrial-scale production.

La thèse se déroulera au LEPMI (Laboratoire d'Electrochimie et de Physicochimie des Matériaux et des Interfaces, UMR n°5279), basé à l’INES (Institut National de l'Energie Solaire) au Bourget du Lac en Savoie.

The PhD will take place at LEPMI (Laboratory of Electrochemistry and Physical Chemistry of Materials and Interfaces, UMR No. 5279), located at INES (National Institute of Solar Energy) in Bourget-du-Lac, Savoie.

Master ou diplôme d'ingénieur, en matériaux/nanoscience. Bonnes compétences en physique/chimie. Goût prononcé pour les travaux expérimentaux

Master's degree or engineering diploma in materials science/nanoscience. Solid knowledge in physics and chemistry. Strong interest in experimental work.