Des chercheurs de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) et de l’Université de Stanford ont développé et testé à Lausanne des cellules photovoltaïques de nouvelle génération. Une révolution dans le domaine et une première mondiale en termes de technologie, qui fait l’objet d’une publication dans la revue Nature Photonics.
"Un nouveau paradigme dans la manière de capter la lumière et de la transformer en énergie électrique." Professeur à l’EPFL et concepteur du système de cellules solaires à colorants, Michael Grätzel décrit en ces termes la découverte de son équipe et de ses partenaires de Stanford, Berkeley et GeorgiaTech. Grâce à l’adjonction d’un second colorant, les cellules solaires sont désormais capables de réagir à une plus grande partie du spectre lumineux.
Couramment désigné sous le nom de cellules solaires de Grätzel en référence à leur concepteur, le système voit le jour au début des années 90. Le professeur de l’EPFL développe un système à base de colorants qui, comme la chlorophylle naturelle, sont stimulés par la lumière et génèrent des charges électriques. La technique permet de produire des cellules solaires particulièrement efficaces en faible luminosité et à moindre coût – un enjeu capital qui compense largement le rendement légèrement plus faible que les cellules traditionnelles.
En introduisant un nouveau colorant dans les cellules solaires organiques «de Grätzel»,
Les chercheurs de Stanford et de l’EPFL ont considérablement amélioré le système.
Grâce au pérylène, la cellule solaire est désormais sensible à une plus grande partie
du spectre lumineux – le rouge, le vert et le bleu.
Elle produit donc plus d’énergie pour une même quantité de lumière.
La technique est inspirée de la photosynthèse des plantes.
Améliorer le rendement
Les colorants utilisés par Michael Grätzel, appelés phthalocyanines, ne sont sensibles qu’à une partie restreinte du spectre lumineux. Les recherches menées conjointement entre les chercheurs de l’EPFL et leurs confrères américains permettent d’étendre la sensibilité spectrale de la cellule aux parties rouges, vertes et bleues de la lumière visible. Et donc d’en améliorer l’efficacité. Cela est rendu possible grâce à l’adjonction de nouveaux colorants, les pérylènes.
Les pérylènes ne génèrent pas directement de charge électrique. Mais ils réagissent aux parties bleues et vertes du spectre lumineux. Ils communiquent leur énergie aux phthalocyanines, qui à leur tour transmettent une charge électrique. Sans l’assistance de ces nouveaux colorants, les phthalocyanines seules ne réagiraient qu’à la partie rouge du spectre. «Il n’est pas possible pour un seul colorant d’être sensible à l’entier du spectre lumineux, précise Khaja Nazeeruddin, chercheur dans l’équipe de Michael Grätzel. D’où l’incorporation d’un second colorant. C’est une première mondiale.»
Une technologie inspirée de la nature
Ce mode de transfert d’énergie indirect s’inspire des modèles naturels. Dans le processus de la photosynthèse des plantes, certaines molécules de chlorophylle émettent des signaux, que d’autres reçoivent avant que se mettent en route des processus de transfert de charges électriques. «Il s’agit de ce que l’on appelle des transferts d’énergie par interactions dipolaires, explique Michael Grätzel. Jusqu’à présent, les colorants de nos cellules avaient pour unique rôle de générer directement les charges électriques.» .
Pour l’heure, le modèle a été testé dans les laboratoires de l’EPFL par l’équipe de Michael Grätzel et Brian Hardin, chercheur de Stanford. Avec des résultats plus qu’encourageants. Le transfert de charge est ainsi amélioré de 26%, comparé à un système basé sur la seule phthalocyanine. «Nous avons de nombreuses perspectives pour améliorer le modèle dans le futur, explique Khaja Nazeeruddin. Nous pouvons jouer sur les parties sensibles du spectre lumineux, ou envisager un système à trois ou même quatre colorants.»
Cette découverte est le premier résultat d’un récent partenariat entre l’EPFL, Stanford, Berkeley et GeorgiaTech. Le projet, appelé CAMP et centré à Stanford, vise à améliorer le rendement et la pérennité des cellules solaires moléculaires, et à développer des techniques de production à bas coût. CAMP est financé par l’université des sciences et des technologies du Roi Abdullah d’Arabie Saoudite, à hauteur de 27 millions de francs suisses sur 5 ans – à l’EPFL l’équipe de Michael Grätzel devrait récupérer environ 2.2 millions de francs pour ses recherches à Lausanne.
