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 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 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 reçoit plus d'énergie solaire en une heure que la planète entière n'en consomme actuellement en un an! Malheureusement, malgré cet immense potentiel, l'énergie solaire est peu utilisée. En effet, l'électricité produite par les piles solaires conventionnelles, composées de matériaux semi-conducteurs comme le silicium, 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 se sont donc attelées à la tâche de développer une pile solaire, qui pourrait être à la fois efficace du point de vue 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, 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 dioxide de titane, recouvert d'un colorant moléculaire qui absorbe la lumière du soleil, comme la chlorophylle dans les feuilles vertes. Le dioxide de titane enduit de colorant baigne dans une solution électrolytique. Un catalyseur à base de platine complète l'ensemble.
On peut donc dire que, comme dans le cas d'une pile électrochimique conventionnelle (comme les piles alcalines), deux électrodes (l'anode de dioxyde de titane et la cathode de platine dans le cas de la pile Graetzel) sont placées autour d'un liquide 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 situé au fond de la pile. Ces électrons voyagent dans un fil, de l'anode à la cathode, ce qui crée un courant électrique. 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 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 :
- l'électrolyte est : (1) très corrosif, ce qui entraîne une carence de durabilité, (2) très coloré, ce qui empêche la lumière de passer efficacement et (3) limite le photo-voltage à 0,7 volts;
- la cathode est couverte de platine, un matériau 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 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 :
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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. 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;
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et le remplacement du platine par le sulfure 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.
