ENERGIES RENOUVELABLES
sol(ID)aires
"CELLULES GRAETZEL"
COURTE INTRODUCTION
Les cellules de Grätzel: l'énergie venue du Soleil
ENERGIES RENOUVELABLES
| Le Soleil, bien sûr, est
source de toute énergie sur Terre – y compris celle qui provient
des combustibles fossiles ou "verts". La lumière solaire est aussi
utilisable directement comme source d'énergie: on peut démontrer
cela en classe en utilisant des cellules de Grätzel, également
appelées "cellules solaires nanocristallines à pigments"
ou "cellules solaires organiques". Baptisées d'après leur
inventeur, l'ingénieur suisse Michael Grätzel, ces cellules
convertissent directement la lumière solaire en électricité
par photosynthèse artificielle. Pour cela, elles utilisent des pigments
naturels présents, par exemple, dans les cerises, mûres, framboises
et cassis. Ces pigments rouges-violets, appelés anthocyanesw1,
peuvent facilement être extraits des fruits et feuilles par les élèves:
il suffit de les faire bouillir dans un petit volume d'eau, puis de filtrer.
Ces cellules sont très prometteuses, car elles sont faites de matériel peu coûteux et peuvent être produites sans appareillage sophistiqué. Bien que leur efficacité de conversion soit plus faible que celle des meilleures cellules à couche mince, leur rapport performance/prix est suffisamment élevé pour les rendre compétitives face aux combustibles fossiles pour la production d'électricité. Les applications commerciales, qui ont été retardées par des problèmes de stabilité chimique, sont maintenant annoncées sur la feuille de route photovoltaïque de l'Union Européennew2 comme une contribution significative à la production d'électricité renouvelable d'ici à 2020. Les cellules de Grätzel séparent les deux fonctions remplies par le silicium dans une cellule traditionnelle: normalement, le silicium agit comme source de photoélectrons, tout en fournissant le champ électrique qui sépare les charges et crée le courant. Dans une cellule de Grätzel, le semi-conducteur est utilisé seulement pour le transport des charges, tandis que les photoélectrons sont fournis séparément par un pigment photosensible (l'anthocyane). La séparation de charge a lieu à la frontière entre le pigment, le semi-conducteur et l'électrolyte. Les molécules de pigment sont assez petites (de l'ordre du nanomètre); ainsi, pour capter une quantité raisonnable de lumière incidente, il faut une couche assez épaisse de ces molécules – beaucoup plus épaisse que leur taille. Pour traiter ce problème, on utilise un nano-matériel comme armature pour maintenir un grand nombre de molécules de pigment dans une matrice 3D, augmentant ainsi le nombre de molécules présentes par unité de surface de la cellule. Dans les modèles existants, cette armature est fournie par le matériel semi-conducteur (oxyde de titane), qui remplit ainsi une double fonction. Les cellules de Grätzel peuvent être fabriquées de toute pièce, mais il est difficile de se procurer le verre pré-traité de façon à avoir une face conductrice. De plus, il faut les passer au four pendant environ 24 heures pour faire pénétrer la pâte d'oxyde de titane dans la surface de verre. Ainsi, il est plus facile d'utiliser un kit commercial comme ceux proposés par la compagnie allemande Mansolarw3, qui permettent d'assembler six cellules de Grätzel pour environ 80€. Si toutefois vous avez déjà de l'expérience avec l'équipement requis et que vous préférez construire vos propres cellules de Grätzel, voici une description de la procédure: 1. Prenez deux plaques de verre, chacune ayant à peu près la taille d'une plaque de microscope, avec une face couverte d'oxyde d'indium-étain de façon à conduire l'électricité. 2. L'une des plaques doit, par cuisson, fixer du dioxyde de titane sur sa face non- traitée. Le dioxyde de titane forme une structure très poreuse, présentant une grande surface disponible où le pigment peut se fixer. Attention: la poudre de dioxyde de titane peut facilement être arrachée de la plaque de verre; bien que l'on puisse acheter la pâte de dioxyde de titane, les heures de cuisson nécessaires pour former une nouvelle couche sont peu commodes. Il faut donc manipuler avec précaution. La solution la plus facile est d'acheter du matériel pré-fabriqué. 3. Recouvrez l'autre plaque d'une couche de graphite de crayon, simplement en frottant la pointe d'un crayon sur la face non traitée du verre.
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4. Remplissez une boîte de Petri avec du pigment anthocyane. Induisez le dioxyde de titane de pigment photosensible en plaçant la plaque correspondante dans le récipient, puis séchez avec un séchoir à cheveux. Le pigment reste attaché à la surface du dioxyde de titane par des liaisons covalentes. Après utilisation, il est facile de retirer les pigments anthocyanes en utilisant de l'éthanol ou du propanone (acétone). 5. Assemblez la cellule de bas en haut, de la façon suivante: * En bas, placez la plaque avec graphite, la face graphite vers le haut: ce sera la cathode. * Comme électrolyte, utilisez une solution d'iodure de potassium, qu'il faut introduire entre les plaques. * En haut, placez la plaque pigmentée, la face couverte d'oxyde d'indium-étain vers le haut. L' oxyde d'indium-étain servira d'anode transparente.
6. Utilisez un trombone pour maintenir les plaques
jointes.
Références Web
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