Vers des diodes électroluminescentes en pérovskite durables

Avec l’attention mondiale croissante portée à l’efficacité énergétique et à la durabilité environnementale, la technologie des diodes électroluminescentes (LED) est devenue un choix dominant dans les domaines de l’éclairage et de l’affichage. Cependant, malgré les progrès significatifs réalisés par les LED traditionnelles en termes d’efficacité énergétique et de performance, leur dépendance aux matériaux rares lors de la fabrication et leur impact environnemental restent des problèmes non négligeables. Ces dernières années, les diodes électroluminescentes à base de pérovskite (PeLEDs) sont devenues des candidates populaires pour la prochaine génération de technologies d’éclairage et d’affichage en raison de leurs avantages tels que leur conception légère, leur flexibilité et leur large gamme de couleurs. Cependant, malgré les avancées techniques rapides des PeLEDs, une évaluation complète de leur impact environnemental et économique fait encore défaut, ce qui est crucial pour leur commercialisation future.

Cette étude vise à évaluer les performances environnementales et économiques de 18 PeLEDs représentatives dans une perspective de cycle de vie, afin d’identifier des voies technologiques industrielles efficaces pour le développement de PeLEDs durables. L’étude ne se concentre pas seulement sur les performances techniques, mais analyse également en profondeur l’impact environnemental des PeLEDs tout au long de leur cycle de vie, en particulier la contribution de la toxicité du plomb (Pb) dans les PeLEDs, et propose des paramètres clés nécessaires à leur commercialisation.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Muyi Zhang, Xiaotian Ma, John Laurence Esguerra, Hongling Yu, Olof Hjelm, Jiashuo Li et Feng Gao, provenant d’institutions telles que l’Université de Linköping, l’Université du Shandong et l’Université d’Oxford. L’article a été publié en mars 2025 dans la revue Nature Sustainability, avec le DOI 10.1038/s41893-024-01503-7.

Processus de recherche

1. Cadre d’évaluation du cycle de vie (LCA)

L’étude a d’abord établi un cadre d’évaluation du cycle de vie pour les PeLEDs, couvrant les cinq étapes suivantes : acquisition des matières premières, fabrication, distribution, utilisation et fin de vie. Pour évaluer de manière exhaustive l’impact environnemental des PeLEDs, l’étude a sélectionné 18 technologies de PeLEDs représentatives, couvrant les longueurs d’onde rouge, verte, bleue (RGB), blanche et proche infrarouge (NIR). Les détails techniques et les conventions de dénomination de chaque technologie sont présentés dans les matériaux supplémentaires.

2. Acquisition des matières premières et phase de fabrication

Lors de la phase d’acquisition des matières premières, l’étude a enregistré en détail les matériaux nécessaires pour chaque PeLED, y compris la préparation des substrats en verre ITO, des matériaux de transport de trous, des matériaux de pérovskite, des matériaux de transport d’électrons et des électrodes métalliques. La phase de fabrication a mis l’accent sur la consommation d’énergie et les émissions de déchets lors de l’assemblage des équipements, en particulier la haute consommation d’énergie des boîtes à gants à azote et des systèmes d’évaporation.

3. Phase de distribution et d’utilisation

La phase de distribution a principalement pris en compte la consommation d’énergie et les émissions lors du transport, en supposant une distance de transport de 100 kilomètres. La phase d’utilisation a évalué la consommation électrique des PeLEDs dans les applications d’affichage ou d’éclairage, en excluant les impacts environnementaux dynamiques pour une discussion ultérieure.

4. Phase de fin de vie

Lors de la phase de fin de vie, l’étude a supposé que les dispositifs PeLEDs à l’échelle du laboratoire étaient éliminés par enfouissement, bien que leur impact environnemental total soit faible. Cependant, il est recommandé d’adopter des stratégies de recyclage pour les applications industrielles futures afin de réduire l’apport en matières premières.

5. Simulation des techniques industrielles

Pour simuler la production à grande échelle des PeLEDs, l’étude a introduit plusieurs techniques industrielles, notamment la réutilisation des solvants de nettoyage organiques, le recyclage des électrodes métalliques et des substrats en verre ITO, la gestion des déchets et le remplacement des électrodes en or par des métaux à faible impact. Les descriptions détaillées de ces techniques sont présentées dans la section des méthodes.

Résultats principaux

1. Analyse de l’impact environnemental

Les résultats de l’étude montrent que l’impact environnemental des PeLEDs provient principalement de l’apport en substances et de la consommation d’électricité lors de la production. L’analyse de huit catégories clés d’impact environnemental (comme la toxicité cancérigène humaine, l’écotoxicité des eaux douces, la rareté des ressources fossiles, etc.) révèle que les PeLEDs de différentes couleurs présentent des profils d’impact environnemental similaires, avec des contributions majeures provenant des solvants de nettoyage organiques et de la consommation d’électricité.

2. Contribution de la toxicité du plomb

L’étude souligne en particulier que la contribution de la toxicité du plomb dans les PeLEDs est relativement faible, représentant moins de 10 % de la toxicité non cancérigène humaine. Cette constatation est cohérente avec les résultats des recherches sur les cellules solaires à pérovskite, indiquant que le plomb n’est pas la principale source de toxicité des PeLEDs.

3. Bénéfices environnementaux des techniques industrielles

Les résultats de la simulation montrent qu’avec l’adoption de techniques industrielles, l’impact environnemental des PeLEDs peut être réduit de 50 à 90 %. Parmi ces techniques, le contrôle des solvants de nettoyage et le remplacement des électrodes en or sont les stratégies les plus efficaces, complétées par la fabrication à grande échelle, le recyclage des substrats et la gestion des déchets.

4. Temps de mitigation des impacts relatifs (RIMT)

L’étude propose un nouveau paramètre, le temps de mitigation des impacts relatifs (RIMT), pour quantifier la durée de vie minimale requise pour que les PeLEDs atteignent la durabilité. Le calcul du RIMT est basé sur une considération simultanée des impacts relatifs internes et externes, et les résultats indiquent que la durée de vie des PeLEDs devrait dépasser 10 000 heures pour compenser les impacts environnementaux relatifs de leur production.

Conclusion et signification

Cette étude démontre que les PeLEDs présentent un potentiel significatif en termes de performance environnementale, économique et technique, et pourraient devenir de sérieux concurrents pour la prochaine génération de technologies d’éclairage. L’étude fournit non seulement des données détaillées et des méthodes pour l’évaluation du cycle de vie des PeLEDs, mais offre également des orientations pour le développement durable de technologies similaires. En particulier, le paramètre RIMT proposé par l’étude fournit un nouvel outil de quantification pour l’évaluation de la durabilité des dispositifs électroniques.

Points forts de la recherche

1. Évaluation complète du cycle de vie : L’étude est la première à évaluer de manière exhaustive les performances environnementales et économiques des PeLEDs dans une perspective de cycle de vie, comblant une lacune dans ce domaine.
2. Contribution de la toxicité du plomb : L’étude met clairement en évidence la faible contribution de la toxicité du plomb dans les PeLEDs, corrigeant les idées reçues sur la toxicité du plomb.
3. Bénéfices environnementaux des techniques industrielles : En simulant des techniques industrielles, l’étude démontre les avantages environnementaux de la production à grande échelle des PeLEDs, fournissant un soutien technique pour leur commercialisation.
4. Proposition du paramètre RIMT : Le paramètre RIMT proposé par l’étude offre un nouvel outil de quantification pour l’évaluation de la durabilité des dispositifs électroniques.

Autres informations utiles

L’étude indique également que le coût futur des PeLEDs devrait être d’environ 100 dollars par mètre carré, comparable à celui des panneaux LED organiques commerciaux, renforçant ainsi leur compétitivité sur le marché. De plus, l’étude souligne l’influence de la structure énergétique sur l’empreinte environnementale des PeLEDs, recommandant l’adoption future d’énergies propres pour réduire davantage l’impact environnemental.

Grâce à cette étude, la voie vers une commercialisation durable des PeLEDs devient plus claire, fournissant une base scientifique importante pour le développement de la prochaine génération de technologies d’éclairage.