Des cellules photovoltaïques «Grätzel» réalisent un nouveau record

Cellules Grätzel installées au SwissTech Convention Center (crédit : Alain Herzog)

Cellules Grätzel installées au SwissTech Convention Center (crédit : Alain Herzog)

Des scientifiques de l’EPFL ont augmenté le rendement de conversion de puissance des cellules photovoltaïques à pigment photosensible en le poussant au-delà de 15% à la lumière directe du soleil et 30% à la lumière ambiante.

Les cellules photovoltaïques mésoscopiques à pigment photosensible (DSC) ont été inventées dans les années 1990 par Brian O’Regan et Michael Grätzel, professeur à l'EPFL, prenant le nom du dernier nommé pour devenir les fameuses cellules « Grätzel ». Les DSC convertissent la lumière en électricité au moyen de photosensibilisateurs; ces pigments absorbent la lumière et injectent des électrons dans un réseau de nanocristaux d’oxyde, lesquels sont ensuite collectés sous forme de courant électrique.

Dans les DSC, des photosensibilisateurs sont attachés («adsorbés») à la surface de films de dioxyde de titane nanocristallin mésoporeux qui sont imbibés d’électrolytes à activité redox ou à un matériau solide de transport de charges, la structure entière visant à générer de l’électricité en déplaçant les électrons du photosensibilisateur vers une sortie électrique, comme un appareil ou une unité de stockage.

Les DSC sont transparentes, peuvent être fabriquées dans de multiples couleurs dans une optique de réduction des coûts et sont déjà intégrées dans des puits de lumière, des serres et des façades en verre, comme celles du SwissTech Convention Center. De plus, des versions flexibles ultralégères des DSCsont à présent vendues à grande échelle dans le commerce pour l’alimentation électrique d’appareillages électroniques portables tels que des écouteurs ou des liseuses, ainsi que dans le domaine de l’Internet des Objets, en utilisant la lumière ambiante.

De récents progrès dans le domaine des photosensibilisateurs et d’autres composants des DSC ont permis d’améliorer les performances de ces dernières, tant à la lumière directe du soleil qu’à la lumière ambiante. Mais la clé pour améliorer l’efficacité des DSC réside dans la compréhension et le contrôle de l’assemblage des molécules pigmentaires sur la surface des films de nanoparticules de dioxyde de titane favorisant la génération de la charge électrique.

L’une des méthodes est celle de la cosensibilisation, une technique de fabrication chimique qui produit des DSC avec deux pigments différents – voire plus – présentant une absorption optique complémentaire. La cosensibilisation a porté le rendement de conversion de puissance des DSC à des valeurs record, cette méthode présentant potentiellement l’avantage de pouvoir combiner des pigments capables d’absorber la lumière sur l’intégralité du spectre. Toutefois, la cosensibilisation s’est aussi révélée inefficace dans certains cas, car la recherche des combinaisons judicieuses de pigments capables d’absorber une grande quantité de lumière et d’offrir un rendement de conversion de puissance maximum requiert un énorme travail de conception, de synthèse et de criblage moléculaire.

Des scientifiques des groupes de Grätzel and Anders Hagfeldt à l’EPFL ont à présent développé une méthode permettant d’améliorer l’assemblage de deux nouvelles molécules pigmentaires photosensibilisantes et d’accroître la performance photovoltaïque des DSC. Ensemble, ces nouveaux photosensibilisateurs peuvent récolter une grande quantité de lumière sur l’intégralité du domaine visible. La nouvelle technique mise au point implique la pré-adsorption d’une monocouche d’un dérivé de l’acide hydroxamique sur la surface de dioxyde de titane nanocristallin mésoporeux. Cela a pour effet de ralentir l’adsorption des deux photosensibilisateurs et de permettre ainsi la formation d’une couche dense et bien ordonnée de photosensibilisateur sur la surface d’oxyde de titane.

Grâce à cette approche, l’équipe a pu développer des DSC offrant pour la première fois un rendement de conversion de puissance de 15,2% à la lumière du soleil simulée standard, avec une stabilité opérationnelle à long terme testée de plus de 500 heures. L’augmentation de la surface active de 2,8 cm2 a permis d’obtenir un rendement de conversion de puissance situé entre 28,4% et 30,2% sur une large plage d’intensités de lumière ambiante et ce, avec une excellente stabilité.

Les auteurs expliquent: «Nos découvertes ouvrent la voie à un accès aisé à des DSC hautes performances et ouvrent des perspectives prometteuses pour des applications telles que le remplacement de l’alimentation réseau et par batterie d’appareils électroniques de faible puissance utilisant la lumière ambiante comme source d’énergie.»

Financement

Programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’UE

Fonds national suisse de la recherche scientifique

Références

Yameng Ren, Dan Zhang, Jiajia Suo, Yiming Cao, Felix T. Eickemeyer, Nick Vlachopoulos, Shaik M. Zakeeruddin, Anders Hagfeldt, Michael Grätzel. Hydroxamic Acid Preadsorption Raises Efficiency of Cosensitized Solar Cells. Nature 26 October 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-05460-z