Des cellules solaires inspirées de la nature

Un colorant qui transforme la lumière du soleil en énergie

En principe, toutes les cellules solaires fonctionnent selon un principe similaire. Elles utilisent la lumière du soleil pour produire de l'énergie électrique: le rayonnement se transforme en électricité. Les cellules solaires conventionnelles sont basées sur le silicium, un matériau semi-conducteur inorganique obtenu à partir de sable de quartz. Les cellules Grätzel, en revanche, n'ont pas besoin de silicium. Dans ces dernières, des molécules de colorants organiques collectent la lumière et transmettent l'énergie à des nanocristaux, ce qui génère un courant électrique. Elles s'inspirent des plantes dont les pigments verts chlorophylliens absorbent les rayons du soleil. C'est le processus de la photosynthèse: l'énergie solaire est transformée en oxygène et en sucre, et donc stockée. 

«La photosynthèse me fascinait déjà quand j'étais étudiant», explique Grätzel. «Cet intérêt est devenu particulièrement pertinent dans les années 1970, lors de la première crise pétrolière, lorsque nous étions limités dans nos déplacements en voiture et que nous ne pouvions pas faire le plein. C'est à cette époque que j'ai réfléchi pour la première fois à la finitude de nos réserves de pétrole et à la manière dont nous pourrions les remplacer à l'avenir. La réponse était évidente: pourquoi ne pas s'inspirer de la nature pour produire de l'énergie»? 

Aussitôt dit, aussitôt fait. Certes, d'autres chercheurs ont voulu s'inspirer de la photosynthèse. Mais Grätzel a réussi sa percée parce que, avec son collègue Brian Regan, il a recouvert pour la première fois de colorant des nanoparticules de dioxyde de titane. Une approche innovante qui s'est avérée convaincante de manière inattendue. «Le premier essai était déjà passionnant, car l'effet que nous avons obtenu était mille fois plus élevé que prévu», explique Grätzel. «Notre travail n'était en fait que de la recherche fondamentale, et la recherche solaire elle-même n'en était qu'à ses débuts. Mais nous avons pu en déduire un concept pour de nouvelles cellules solaires». Une révolution dans le domaine du photovoltaïque et la naissance de la cellule Grätzel, que l'inventeur a fait breveter en 1992 – et qui est désormais produite à l'échelle industrielle. 

Leur production est comparativement simple, peu gourmande en ressources et peu coûteuse. Le film d'oxyde de titane contenant le colorant est appliqué sur des plaques de verre conductrices. L'électricité renouvelable qui y est produite peut alors être directement transférée vers un appareil ou un lieu de stockage. Les panneaux sont transparents et – à la grande différence des cellules en silicium – très efficaces même en l'absence de rayonnement solaire direct, lorsque la lumière du jour est diffuse. «Même dans des conditions d'éclairage défavorables, elles atteignent un rendement allant jusqu'à 30% et sont, dans ces conditions, meilleures que les cellules au silicium», souligne Grätzel. 

Les cellules à colorant ont déjà trouvé des marchés sur lesquels elles sont compétitives. Par exemple, comme élément de façades en verre, parfois de grande taille, ainsi que dans les serres et les lucarnes. Les variantes plus petites et plus flexibles conviennent aux produits mobiles tels que les écouteurs et les liseuses. Mais cela permet aussi d'alimenter des capteurs sans les raccorder directement au réseau électrique. Jusqu'à présent, toutes ces applications n'étaient toutefois pas en concurrence directe avec les cellules au silicium, mais plutôt un complément.

Nouvelles cellules avec un rendement record

Mais la recherche ne s'arrête pas là et fait des progrès fulgurants, surtout en ce qui concerne une innovation: sur la base des cellules à colorant originales, Grätzel a développé la cellule à pérovskite organométallique, qui pourrait être plus efficace que la cellule au silicium. «Je vois les deux modèles en tandem à l'avenir, ou même la cellule à pérovskite en concurrence directe», poursuit Grätzel. Un objectif dont il pourrait s'être rapproché avec une publication récente. Avec un collègue, il a dévoilé un nouveau design qui confère aux cellules à pérovskite un rendement record de plus de 25%, avec une stabilité jusqu'ici inégalée et donc une durée de vie particulièrement longue. Les chercheurs espèrent que cette approche permettra de commercialiser les cellules à pérovskite, éventuellement adaptées aux batteries et à la production d'hydrogène. Il semble qu'il n'y ait guère de limite à l'utilisation de ces cellules solaires à haut rendement, dont un produit devrait particulièrement réjouir l'inventeur en personne: un casque de vélo à effet lumineux pour une meilleure visibilité. «Moi-même, je longe le lac Léman tous les jours et par tous les temps pour me rendre à Lausanne», raconte Grätzel. «Je peux difficilement arriver en Porsche et prêcher ensuite la conscience écologique».

Déclaration: Ce contenu est réalisé par la rédaction de Sustainable Switzerland pour le compte du partenaire EPFL.