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Posté par Michel le Jeudi 08/04/2010 à 00:00
Bientôt la solution aux problèmes de coût et de performance des cellules solaires ?
Grâce à deux technologies développées par l'équipe du professeur Benoît Marsan du Département de chimie de l'Université du Québec à Montréal (UQAM), l'avenir tant scientifique que commercial des piles solaires pourrait être transformé du tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) au tout ! En effet, il a réussi à résoudre deux problèmes qui, depuis plus de 20 ans, freinaient le développement de piles solaires à la fois performantes et abordables. Les résultats du chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent d'importantes...) ont été publiés dans les revues scientifiques Journal of the American Chemical Society (JACS) et Nature Chemistry.

L'énergie solaire: un immense potentiel peu exploité

La Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par...) reçoit plus d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) solaire en une heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y...) que la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre hydrostatique, c'est-à-dire sous une...) entière n'en consomme actuellement en un an! Malheureusement, malgré cet immense potentiel, l'énergie solaire est peu utilisée. En effet, l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne...) produite par les piles solaires conventionnelles, composées de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) semi-conducteurs comme le silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.), coûte 5 ou 6 fois plus cher que celle provenant des sources traditionnelles d'énergie, tels les combustibles fossiles ou l'hydroélectricité. Au fil des ans, de nombreuses équipes de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) se sont donc attelées à la tâche de développer une pile solaire, qui pourrait être à la fois efficace du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) énergétique et peu coûteuse à produire.

La pile solaire sensibilisée par un colorant

L'une des piles solaires les plus prometteuses a été conçue au début des années 90, par le professeur Michael Graetzel de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en Suisse. S'inspirant du principe de la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et σύνθεσις sýnthesis,...), ce processus biochimique, qui permet aux plantes de se nourrir en consommant l'énergie lumineuse, la pile solaire Graetzel est composée d'une couche poreuse formée à partir de nanoparticules d'un pigment blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu, d'où l'image que l'on...), le dioxide de titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.), recouvert d'un colorant moléculaire qui absorbe la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de...) du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...), comme la chlorophylle dans les feuilles vertes. Le dioxide de titane enduit de colorant baigne dans une solution électrolytique. Un catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des...) à base de platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) complète l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...).

On peut donc dire que, comme dans le cas d'une pile électrochimique conventionnelle (comme les piles alcalines), deux électrodes (l'anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la production d'électrons) par opposition à la cathode où se produit...) de dioxyde de titane (Le dioxyde de titane est une substance composée d'oxygène et de titane.) et la cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction cathodique. Elle correspond à la borne positive (+) dans une pile électrique qui débite et à la borne négative du générateur...) de platine dans le cas de la pile Graetzel) sont placées autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter,...) d'un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) conducteur (l'électrolyte). Les rayons du soleil traversent la cathode puis l'électrolyte, pour ensuite arracher des électrons à l'anode de dioxyde de titane, un semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant électrique, quoique...) situé au fond de la pile. Ces électrons voyagent dans un fil, de l'anode à la cathode, ce qui crée un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un...). C'est ainsi que l'énergie du soleil est convertie en électricité.

La plupart des matériaux utilisés pour fabriquer cette pile sont peu chers, faciles à fabriquer et flexibles, ce qui permet de les intégrer sur toutes sortes d'objets ou de matériaux. En théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative,...) la pile solaire Graetzel est très intéressante. Malheureusement, malgré la qualité conceptuelle de cette pile, deux problèmes majeurs empêchent encore sa commercialisation à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte...):
- l'électrolyte est: (1) très corrosif, ce qui entraîne une carence de durabilité, (2) très coloré, ce qui empêche la lumière de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) efficacement et (3) limite le photo-voltage à 0,7 volts;
- la cathode est couverte de platine, un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés...) cher, non-transparent et rare.

Malgré de nombreuses tentatives, jusqu'à la récente contribution du professeur Marsan, personne n'avait pu trouver de véritable solution à ces problèmes.

Le professeur Marsan et son équipe travaillent depuis plusieurs années à la conception d'une pile solaire électrochimique. Ses travaux l'ont amené à utiliser des technologies inédites, pour lesquels il a obtenu de nombreux brevets. En réfléchissant aux problèmes de la pile développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme...) par son collègue suisse, le professeur Marsan a réalisé que deux des technologies développées pour sa pile électrochimique pourraient s'appliquer également à la pile solaire Graetzel, soit:

- pour l'électrolyte, la création en laboratoire de toutes nouvelles molécules dont la concentration a pu être accrue grâce à l'apport du professeur Livain Breau, également du Département de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles...). Le liquide ou gel qui en résulte est transparent, non-corrosif et permet d'augmenter le photo-voltage, ce qui améliore le rendement et la stabilité de la pile;

- et le remplacement du platine par le sulfure (En chimie, un sulfure est un composé chimique ou la combinaison de soufre avec un degré d'oxydation de -2, avec un autre élément chimique ou un de ses radicaux. Certains composés covalents du...) de cobalt pour la production de la cathode. Ce matériau est beaucoup moins onéreux que le platine. Il est également plus performant, plus stable et plus facile à produire en laboratoire.

Aussitôt publiées dans les revues JACS et Nature Chemistry, ces propositions ont suscité l'enthousiasme des milieux scientifiques, plusieurs considérant la présente contribution du professeur Marsan comme une avancée majeure dans la recherche pour la production de piles solaires à la fois efficaces et peu coûteuses.

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Source: Université du Québec à Montréal