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La pompe à électrons actionnée par la lumière.
Dans notre cas comme dans la photosynthèse naturelle, l'absorption d'énergie solaire met en route une pompe à électrons mue par l'énergie lumineuse absorbée, dont le principe est illustré dans la figure 1.
Le sensibilisateur (S) est greffé à la surface d’un oxyde semi-conducteur sous la forme d'une couche monomoléculaire. Il absorbe les rayons solaires incidents qui le promeuvent en un état électroniquement excité S*, d'où il est à même d'injecter un électron dans la bande de conduction du dioxyde de titane. Les électrons ainsi injectés traversent la couche, ils sont ensuite recueillis par un collecteur de courant qui permet de les diriger vers un circuit externe où leur passage produit de l'énergie électrique. Le retour de l'électron dans la bande de conduction sur le colorant oxydé S+ (recombinaison) est beaucoup plus lent que la réduction de S+ par le médiateur (D) en solution (interception). De ce fait la séparation de charge est efficace. Le médiateur oxydé (D+) est réduit à la contre-électrode. La tension maximale débitée correspond à la différence entre le potentiel d'oxydoréduction du médiateur et le niveau de Fermi du semi-conducteur. La charge positive est transférée du colorant (S+) à un médiateur (iodure) présent dans la solution qui baigne la cellule (interception). Ce médiateur, alors oxydé en tri-iodure, diffusé à travers la solution. Ainsi, le cycle des réactions redox est bouclé, transformant l'énergie solaire absorbée en un courant électrique, sans changement de la composition de quelque partie du système que ce soit.
Le rendement et la stabilité des nouvelles cellules
solaires.
A ce stade nous obtenons un rendement global en plein soleil entre 10 et 11 %, rendement confirmé par des mesures au laboratoire de contrôle et de calibrage des cellules solaire (NREL) aux USA. A la lumière diffuse l’efficacité augmente à 15 % environ. Une cellule solaire doit être capable de produire de l'électricité pendant vingt ans au moins sans baisse de rendement significative. Notre système a été soumis à une illumination à haute intensité (2000 W/m2) pendant 8000 heures, ce qui correspond à 14 ans environ d’exposition sous conditions naturelles. Aucune diminution notable des performances n'a été observée, ce qui témoigne de l'exceptionnelle stabilité du colorant et du système dans son ensemble.
La commercialisation de la pile solaire nanocristalline progresse.
L’invention de la cellule nanocristalline présente un saut technologique considérable par rapport aux technologies existantes, ce qui permet d'envisager de nouveaux domaines d'applications. Par exemple, il est possible par le choix de l’épaisseur de la couche nanocristalline et la taille des particules de TiO2 de réaliser des verres photovoltaïques transparents. On peut même envisager la fabrication des verres photovoltaïques ayant l’apparence d’une vitre normale où le sensibilisateur n’absorbe que dans le domaine ultraviolet ou infrarouge du spectre le rendant invisible à l’œil. Il est impossible de réaliser de tels vitrages photovoltaïques avec des piles existantes basées sur le silicium. Ci-dessous nous montrons l’image d’une version transparente de la cellule actionnant un moteur.
Parmi les avantages de la nouvelle cellule citons encore son caractère bifacial qui permet de collecter la lumière venant de tous les angles d’incidence. Ceci permet d’atteindre de très haut rendements de conversion à la lumière diffuse (ciel nuageux, albédo provenant de l’eau, du sable ou de la neige) ouvrant le chemin à des applications importantes comme élément de façade des bâtiments. Un autre marché potentiel pour la nouvelle cellule concerne l’approvisionnement des appareils électroniques en énergie. Elle peut se servir efficacement de la lumière ambiante pour alimenter par exemple la climatisation des bâtiments. Mentionnons finalement l’indépendance de son rendement de la température qui lui donne un avantage indéniable par rapport au silicium, Ce dernier perd 0.5 % de rendement par degré Celsius. Or la température des cellules solaires monte inévitablement à 50 à 60° en plein soleil ce qui réduit le rendement des piles à silicium de 20 à 30 % alors que l’efficacité de nos cellules ne change guère dans ce domaine de température.
Ces résultats très prometteurs ont suscité un grand intérêt au niveau industriel La société INAP de Gelsenkirchen en Allemagne se charge du développement de modules de 100 Wp et plus. L’entreprise australienne Sustainable Technologies of Australia (www.sta.com.au ) a construit la première usine de fabrication de tuiles photovoltaïques ayant une capacité de production de 500kW/an et un premier bâtiment a été équipé par ces vitres électrogènes. La société japonaise
Aisin Seiki a présenté des grands modules
photovoltaïques lors d’un congrès à Osaka l’an dernier.
Des cellules flexibles sont développées par les sociétés
Konarka,USA (www.konarkatech.com) et Hitachi Maxell (Japon).
En raison de la grande variété de ses applications potentielles, de sa compatibilité avec l'environnement, de sa simplicité de fabrication et de son faible coût, la cellule solaire nanocristalline à colorant devrait permettre d'accroître substantiellement l'exploitation des énergies renouvelables et contribuer ainsi à l'avènement d'un développement durable pour l'humanité.
Pour en savoir plus :
M.Graetzel , “Photoelectrochmical cells” Nature 414, 338-344 (2001),
M. Graetzel, « Perspectives for Dye-sensitized Nanocrystalline Solar cells », Millenium Special Issue, Progress in Photovoltaics Research and Applications, 2000, 8, 171-185.
B. O’Regan and M. Graetzel, « A low cost, high- efficiency solar cell based on dye sensitized colloidal TiO2 films », Nature ,1991, 336, 737-739