Les cellules solaires à nanoparticules font fonctionner la lumière: Nature News

Un type de cellule solaire découvert pour la première fois il y a 20 ans pourrait enfin devenir commercialement viable grâce aux améliorations rapportées dans La science aujourd’hui¹. Cette conception alternative pourrait conduire à des cellules imprimables bon marché qui stimuleraient massivement l’utilisation mondiale de l’énergie solaire.

L’électrochimiste Michael Grätzel de l’École polytechnique fédérale de Lausanne a conçu la cellule nanocristalline sensibilisée aux colorants (DSC) en 1991. Elle utilise des molécules de colorant organique pour absorber la lumière du soleil, dont l’énergie propulse ensuite des électrons sur de minuscules nanoparticules de dioxyde de titane céramique ( titane) sur laquelle repose le colorant. Ces électrons sont collectés par des électrodes pour générer un courant électrique.

Titania est lui-même très bon marché: sous une forme à plus gros grains, c’est le pigment de la peinture blanche. Et les cellules elles-mêmes devraient être faciles à produire en masse. Grätzel et d’autres ont développé des méthodes pour «imprimer» des réseaux de cellules solaires à nanocristaux sur des panneaux de verre et des feuilles métalliques.

Tout cela fait que les DSC ressemblent à une alternative intéressante aux cellules photovoltaïques conventionnelles, qui sont généralement fabriquées à partir de couches minces ou de plaquettes de silicium et sont relativement coûteuses à produire.

Augmentation de l’efficacité

Les DSC ont déjà atteint des rendements allant jusqu’à 11%, un peu moins que les cellules photovoltaïques au silicium commerciales, et sont déjà commercialisés en petites quantités. La société G24 Innovations, basée à Cardiff, au Royaume-Uni, les vend dans des modules flexibles montés en plastique, et plusieurs autres sociétés, notamment en Asie de l’Est, les commercialisent sur des panneaux de verre pouvant être intégrés dans les bâtiments.

Mais l’utilisation de la technologie a été limitée jusqu’à présent. Les colorants utilisés pour récolter la lumière du soleil contiennent des atomes de ruthénium, un métal coûteux. Et en raison de leurs inefficacités de conversion, les DSC ont également tendance à ne produire que de faibles tensions (moins de 0,8 V).

Pour compléter le circuit électrique et remplacer les électrons éjectés du colorant, les DSC utilisent un composé chimique pour transporter les électrons de la deuxième électrode. Les cellules antérieures utilisent de l’iode dissous, qui capte un électron pour former des ions tri-iodure. Les ions diffusent à travers le liquide entre les électrodes jusqu’à ce qu’ils atteignent les particules d’oxyde de titane revêtues de colorant.

Mais les ions tri-iodure ne correspondent pas bien aux énergies électroniques des molécules de colorant: ils gaspillent de l’énergie en transférant leurs électrons, ce qui entraîne une tension de cellule faible et donc une faible puissance. Le problème est que les porteurs d’électrons alternatifs qui sont mieux adaptés pour le transfert d’électrons souffrent du fait que les électrons peuvent revenir sur eux à partir des colorants, gaspillant l’énergie solaire absorbée.

Maintenant, Grätzel et ses collègues ont trouvé de bonnes alternatives aux colorants au ruthénium coûteux et aux médiateurs d’iodure limitant la tension. «C’est un très beau document et une avancée significative», déclare Jenny Nelson, spécialiste des cellules solaires polymères et nanocristaux à l’Imperial College de Londres.

Pour les colorants, l’équipe de Grätzel utilise des molécules complexes en trois parties constituées d’un groupe qui perd facilement des électrons, d’un groupe qui les accepte facilement et d’une unité de pontage contenant un groupe absorbant la lumière lié à celui de la chlorophylle.

Pour le médiateur électronique, les chercheurs utilisent des molécules organiques liées à des atomes de cobalt, qui peuvent basculer entre deux états par le gain ou la perte d’un électron. Ils ont adapté le colorant en attachant des groupes chimiques volumineux qui agissent comme des barrières, empêchant le retour indésirable des électrons du médiateur au colorant.

Les DSC qui en résultent ont atteint des tensions records (jusqu’à 0,97 V) et des rendements (jusqu’à 12,3%). Si l’efficacité peut être poussée jusqu’à environ 15%, les appareils devraient devenir des concurrents rentables des cellules photovoltaïques en silicium.

Problèmes restants

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Il y a cependant d’autres problèmes à résoudre en premier. En particulier, le médiateur de cobalt de Grätzel est dissous dans l’acétonitrile, un solvant hautement volatil qui ne convient pas à une utilisation dans des appareils pratiques, selon Gerrit Boschloo, un expert en DSC à l’Université d’Uppsala en Suède, qui a signalé pour la première fois des médiateurs de cobalt en 2010.². Il ajoute que le médiateur actuellement utilisé par l’équipe lausannoise n’est probablement pas assez stable pour une utilisation à long terme.

Grätzel dit qu’il travaille sur ces améliorations et d’autres – par exemple, en adaptant les colorants pour capturer davantage la composante rouge de la lumière du soleil et en testant de nouveaux médiateurs au cobalt qui augmentent encore la tension.

Cet article indiquait à l’origine que les DSC avaient par le passé atteint des rendements légèrement supérieurs à ceux du photovoltaïque conventionnel. Ils ont en fait atteint des rendements légèrement inférieurs. Le texte a été modifié pour refléter cela.

• Les références

  1. Yella, A. et coll. La science 334, 629-634 (2011). | Article | ChemPort |
  2. Feldt, SM et coll. Journal de l’American Chemical Society 132, 16714-16724 (2010). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |