lumière_diffuse_DSSC_2018

Imaginez de ne plus jamais devoir recharger votre téléphone, votre lecteur électronique ou votre tablette. Des chercheurs rapportent qu’ils ont créé des cellules solaires qui fonctionnent avec une efficacité record, pour produire de l’électricité à partir de la lumière diffuse de faible intensité, qui est présente à l’intérieur des bâtiments et à l’extérieur par temps nuageux. Ces cellules solaires pourraient un jour permettre à des d’appareils qui doivent être rechargés souvent, de ne plus avoir à les brancher.

Des cellules solaires à colorant (DSSC)

Ces cellules solaires à lumière diffuse ne sont pas nouvelles, mais les meilleures reposaient sur des semi-conducteurs coûteux. En 1991, le chimiste Michael Graetzel de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne, a inventé des cellules solaires à colorant (DSSC) qui fonctionnaient dans la pénombre et qui étaient moins chères que les semi-conducteurs standards. Pourtant, en plein soleil, les meilleurs DSSC convertissaient seulement 14% de l’énergie du soleil en électricité – contre environ 24% pour les cellules solaires standard – essentiellement parce que l’énergie était trop rapide pour que les DSSC puissent la gérer. Lorsque l’énergie est plus lente, comme c’est le cas avec la lumière à faible intensité, les DSSC de Graetzel pouvaient convertir jusqu’à 28% de l’énergie lumineuse, qu’ils transformaient en électricité.

Les DSSC fonctionnaient un peu différemment

Les DSSC fonctionnaient également un peu différemment des cellules solaires au silicium standard. Dans les cellules standard, la lumière du soleil absorbe les électrons sur les atomes de silicium jusqu’à un niveau d’énergie plus élevé, leur permettant de sauter à travers les atomes voisins vers une électrode chargée positivement. Puis, ils sont recueillis et se déplacent dans un circuit électrique où ils peuvent travailler. Les électrons qui sont « abandonnés », laissent derrière eux des lacunes dans les atomes appelés des « trous’, qui curieusement, peuvent également se déplacer. Au fil du temps, ces trous se déplacent vers l’électrode chargée négativement où ils sont remplis d’électrons provenant du circuit externe. Cela rééquilibre les charges dans les atomes de silicium de la cellule solaire, ce qui lui permet de continuer à produire de l’électricité.

Les colorants sont de meilleurs absorbeurs de lumière

Les DSSC ont toujours deux électrodes qui collectent des charges négatives et positives. Mais au milieu, au lieu de simplement utiliser du silicium, ils ont un conducteur d’électrons différent, typiquement une collection de particules de dioxyde de titane (TiO2). Le TiO2 est cependant un piètre absorbeur de lumière. Ainsi, les chercheurs enrobent les particules de molécules de colorants organiques qui sont des absorbeurs de lumière exceptionnels. Les photons absorbés de la lumière excitent les électrons et les trous de ces molécules de colorant, tout comme dans le silicium. Les colorants transmettent immédiatement les électrons excités aux particules de TiO2, qui les relient à l’électrode positive. Les trous, quant à eux, sont déversés dans un liquide conducteur de charge appelé « électrolyte », où ils passent à travers l’électrode chargée négativement.

Une couche d’électrolyte plus mince

Le problème avec les DSSC est que les trous ne se déplacent pas très rapidement dans l’électrolyte. En conséquence, les trous ont tendance à s’accumuler près du colorant et des particules de TiO2. Si un électron excité finit par rencontrer un trou, il génère de la chaleur au lieu de l’électricité. Pour contourner ce problème, les chercheurs ont essayé de rendre leur couche d’électrolyte plus mince, de sorte que les trous ne doivent pas aller très loin pour atteindre leur objectif. Mais toutes ces imperfections dans ces couches, peuvent causer des courts-circuits, qui « tuent » la cellule solaire.

Une une combinaison de colorants et de molécules conductrices de trous

Maintenant, Graetzel et ses collègues ont trouvé une solution. Ils ont conçu une combinaison de colorants et de molécules conductrices de trous, qui s’enroulent étroitement autour des particules de TiO2, créant des couches serrées sans aucune imperfection. Cela signifie que les trous à déplacement lent, ont moins de distance à parcourir avant d’atteindre l’électrode négative. Les couches serrées augmentent l’efficacité de la lumière diffuse de leurs DSSC à 32%, près du maximum théorique.

Les DSSC sont beaucoup moins chers à produire

«C’est vraiment une belle avancée», affirme Michael Wasielewski, chimiste à la Northwestern University d’Evanston, en Illinois. Les nouveaux appareils ne convertissent encore que 13,1% de la lumière directe du soleil en électricité. Mais il note que parce que le rendement de la lumière diffuse est près de 20% plus élevé, il espère que de nouvelles techniques pourraient être trouvées pour augmenter l’efficacité des dispositifs en plein soleil, et parce que les DSSC sont beaucoup moins chers à produire que les cellules solaires au silicium, s’ils peuvent s’approcher de l’efficacité du silicium à moindre coût, cela devrait être une formule gagnante.

Accélérer l’adoption de cette technologie

Jusque-là, les DSSC à lumière diffuse peuvent au moins nous aider à alimenter une foule de dispositifs sans fil. De nombreuses entreprises travaillent déjà à équiper les intérieurs de certains bâtiments avec une précédente génération de DSSC, et Graetzel explique qu’il croit que ces nouvelles cellules améliorées, permettront d’accélérer l’adoption de cette technologie.

[via Science]