Cellule Grätzel

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Cellules à pigment photosensible, ou cellules Grätzel Cellules à pigment photosensible, ou cellules Grätzel
Cellules à pigment photosensible, ou cellules Grätzel
Complexe ruthénium-terpyridine comme pigment photosensible.


Une cellule Grätzel est un système photoélectrochimique inspiré de la photosynthèse végétale qui, exposé à la lumière (photons), produit de l’électricité. Elle est également appelée cellule à pigment photosensible et souvent désignée par l'acronyme dérivé de son appellation en anglais : dye-sensitized solar cell, DSSc, DSC voire DYSC). Elle a été nommée ainsi en référence à son concepteur, Michael Grätzel, de l’École polytechnique fédérale de Lausanne. Les pigments organiques sont aussi dénommés « chromophores ».

Les cellules Grätzel ne sont pas actuellement les plus performantes du marché (mais déjà plus performantes que les cellules au silicium amorphe), mais elles peuvent être produites avec des matériaux à faible coût et pourraient bénéficier de progrès techniques et de conception. Elles présentent aussi l'avantage de pouvoir produire de l'énergie même sans ensoleillement direct[1] voire sous un faible éclairage[2].

Principe de fonctionnement[modifier | modifier le code]

Type de cellule réalisé à l'EPFL par Grätzel et O’Regan.
Fonctionnement d'une cellule Grätzel.

Ce système photoélectrochimique est inspiré de la photosynthèse végétale.

Il est basé sur un électrolyte donneur d’électron (analogue à l’eau dans la photosynthèse) sous l’effet d’un pigment excité par le rayonnement solaire (analogue à un pigment photosynthétique tel que la chlorophylle). La force électromotrice de ce système vient de la rapidité avec laquelle l’électrolyte compense l’électron perdu par le pigment excité avant que ce dernier ne se recombine : le pigment photosensible est imprégné dans un matériau semiconducteur fixé à la paroi transparente et conductrice située face au soleil, de sorte que l’électron libéré par le pigment diffuse jusqu’à la paroi conductrice à travers le matériau semiconducteur pour venir s’accumuler dans la paroi supérieure de la cellule et générer une différence de potentiel avec la paroi inférieure.

Ces dispositifs sont prometteurs car ils peuvent faire intervenir des matériaux bon marché mis en œuvre avec des technologies relativement simples.

Histoire[modifier | modifier le code]

La première cellule à pigment photosensible démontrée à l’EPFL en 1991 par M. Grätzel et B. O’Regan utilisait :

  • une paroi supérieure en oxyde d'étain dopé au fluor SnO2•F (matériau à la fois transparent et conducteur d’électricité) ;
  • sur la face intérieure de cette paroi, un oxyde transparent conducteur (oxyde de titane TiO2 pulvérulent, semiconducteur dont la surface était imprégnée de polypyridine au ruthénium[3]) comme pigment photosensible ;
  • un électrolyte iodure/triiodure (I/I3) baignant l’ensemble en assurant la conduction avec la paroi inférieure de la cellule, qui fermait le circuit ;

Les oxydes sont aujourd'hui nanostructuré, et de nouvelles molécules sont testées, prometteuses pour certaines[2].

Performances actuelles[modifier | modifier le code]

Ces cellules ont atteint en laboratoire[4] des rendements de 11 % mais sont produites commercialement avec des rendements de 3 à 5 %, pour un coût d’environ 2 400 €/kWc[5].

Recherche et développement[modifier | modifier le code]

Ces cellules pourraient être améliorées par des technologies plasmoniques [6].

Le CEA a synthétisé des colorants organique nouveaux qui pourraient se substituer aux organométalliques aujourd'hui utilisés dans les cellules de Grätzel les plus performantes (organo-métalliques composés de métaux rares et/ou toxiques (ruthénium), ou difficiles à synthétiser (dérivés de porphyrines de zinc)[2]. Les pigments reproduits par le CEA sont des molécule de structure relativement simples, aux couleurs e intensités variées qui permettent une efficacité de 10% voire plus[2]. Les premiers tests ont montré que les colorants étaient stables durant plusieurs milliers d'heures[2].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. « Les 10 révolutions qui vont changer notre vie », Le Figaro Magazine, 8 février 2013
  2. a, b, c, d et e Des colorants moléculaires pour fabriquer des panneaux solaires
  3. L’analogie avec la photosynthèse est très étroite, car la chlorophylle est structurellement semblable à quatre unités pyridine autour d’un atome de magnésium ; dans le pigment de Grätzel, le magnésium est remplacé par le ruthénium.
  4. Sharp, 2006
  5. Données 2008
  6. Electro IQ EU partners eye metallic nanostructures for solar cells  ; PV World 01 April 2010, 2010/03.30

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Article connexe[modifier | modifier le code]