Des colorants photochromes s'invitent dans le photovoltaïque

Publié par Redbran le 07/09/2020 à 13:00
Source: CEA IRIG

© Renaud Demadrille
Des chercheurs de l'Irig présentent des cellules solaires photochromiques sensibilisées par des molécules photo sensibilisatrices permettant un changement de couleur et une transmission de la lumière auto-ajustable sous l'action de la lumière. Ils démontrent que ces cellules présentent une efficacité de conversion de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) allant jusqu'à 4,17 %, un processus de coloration-décoloration réversible, et une stabilité allant jusqu'à 50 jours.

Les dernières générations de cellules solaires, et en particulier celles intégrant des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) organiques, présentent l'avantage de pouvoir être semi-transparentes. Cette particularité est intéressante pour le développement de vitrages photovoltaïques intégrables dans les bâtiments ou les automobiles. Cependant un compromis entre transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la lumière. Cette notion dépend de la longueur d'onde de la lumière : ainsi, le verre est...) et efficacité doit systématiquement être trouvé pour ces cellules solaires. Pour l'intégration de ce type de dispositifs semi-transparents dans les vitrages, l'idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde l'étude de la divisibilité pour les...) serait qu'ils puissent produire de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie....) tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en offrant la possibilité d'ajuster automatiquement leur transmission lumineuse en fonction de l'intensité de la lumière du jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit...). En développant des cellules solaires à base de nouveaux colorants photochromes, une équipe de l'Irig a peut-être trouvé la solution à ce problème. Les cellules solaires à colorant (Un colorant est une substance utilisée pour apporter une couleur à un objet à teinter.) photochromes présentent en effet une grande transparence, mais elles s'assombrissent sous fort ensoleillement pour produire de l'électricité et s'éclaircissent dès que la lumière du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...) décline.

Ces dernières années, pour faire progresser les performances des cellules solaires à colorants, les chimistes ont synthétisé de nombreuses molécules organiques de plus en plus efficaces. Avec ces molécules photo sensibilisatrices, il est possible de développer des cellules solaires colorées et semi-transparentes dont certaines ont pu être intégrées dans la façade de bâtiments publics comme en Suisse à l'EPFL [1]. Malheureusement, le développement de dispositifs photovoltaïques semi-transparents efficaces reste une tâche ardue. En effet si on veut atteindre un bon rendement photovoltaïque, il faut absorber beaucoup de lumière, mais si on absorbe fortement la lumière ; or absorber fortement la lumière conduit inexorablement à détériorer la transparence...

Pour relever le défi de réconcilier transparence et efficacité, des chercheurs de l'Irig ont proposé une nouvelle stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :). Cette stratégie est basée sur l'intégration de molécules photochromiques à base de diphényl-naphtopyranes dans les cellules à colorants. Ces molécules sont capables de s'isomériser sous exposition à la lumière, ce qui les conduit à changer de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) ; elles retournent ensuite à leur forme incolore lorsque l'exposition lumineuse cesse.

Dans leur dernière étude publiée dans la revue Nature Energy [2], les chercheurs ont donc intégré une unité photochromique dans la structure de divers colorants et ont pu démontrer que leur comportement photochromique était conservé une fois intégrés dans les dispositifs. À l'aide de ces molécules, ils sont parvenus à fabriquer et caractériser des cellules solaires et des mini-modules qui présentent des couleurs variables sous radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par exemple :...) lumineuse passant du jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :) pâle à l'orangé, au rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) ou encore au vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un récepteur, appelé cône M, dont la...) foncé sous forte luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.), augmentant dans le même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) leur rendement photovoltaïque.


Les cellules solaires photochromiques passent du jaune clair à l'orange, au rouge ou encore au vert foncé sous l'effet d'une forte luminosité, tout en augmentant leur efficacité photovoltaïque.
© Renaud Demadrille.

Les premiers prototypes de cellules solaires photochromiques ainsi réalisés montrent une efficacité de conversion de puissance maximale de 4,1 % tout en présentant un changement de couleur réversible sous irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de rayonnements ionisants : rayons alpha, bêta, gamma, protons ou...) et une variation de transparence allant de 69 % à 27 %. Enfin, des résultats préliminaires montrent que ces cellules solaires photochromiques peuvent être stables plusieurs mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) sans encapsulation (L'encapsulation en général est la notion de mettre une chose dans une autre. En imageant, on peut voir que cette chose est mise dans une capsule. En particulier, on peut retrouver ce terme dans plusieurs domaines :), c'est-à-dire sans aucune protection sur la cellule. En utilisant cette approche, les chercheurs ont fabriqué des mini-modules photochromiques semi-transparents d'une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu...) active de 14,08 cm2 qui ont une puissance de 32,5 mW.

Ce travail ouvre la voie au développement d'une nouvelle classe de cellules solaires semi-transparentes capables de changer de couleur et de montrer une transmission de lumière auto-ajustable. Un premier pas vers des vitres photovoltaïques photochromiques.

Références:

[1] Joly D, Pelleja L, Narbey S, Oswald F, Meyer T, Kervella Y, Maldivi P, Clifford JN, Palomares E and Demadrille R.
Metal-free organic sensitizers with narrow absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une...) in the visible for solar cells exceeding 10% efficiency.
Energy & Environmental Science, 2015, DOI: 10.1039/c5ee00444f.

[2] Huaulmé Q, Mwalukuku VM, Joly D, Liotier J, Kervella Y, Maldivi P, Narbey S, Oswald F, Riquelme AJ, Anta JA and Demadrille R

Photochromic dye-sensitized solar cells with light-driven adjustable optical transmission and power conversion efficiency.
Nature Energy, 2020, DOI: 10.1038/s41560-020-0624-7.
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