Un nouveau colorant révolutionne les cellules Grätzel

22.03.21 – Des scientifiques de l’EPFL ont mis au point un nouveau colorant pour les cellules photovoltaïques. Simple et économique à fabriquer, ce pigment permet un rendement élevé. Il est également très performant dans des conditions de faible luminosité, ce qui est indispensable pour les appareils autonomes et à faible alimentation.

En 1991, les scientifiques Brian O’Regan et Michael Grätzel de l’EPFL ont publié un article fondamental qui décrit un nouveau type de cellule photovoltaïque: la cellule photovoltaïque à pigment photosensible (DSSC) ou «cellule Grätzel». Simples et économiques à produire tout en étant flexibles et polyvalentes, les cellules DSSC sont déjà fabriquées à l’échelle de plusieurs mégawatts. Elles représentent ainsi une part importante du marché photovoltaïque qui fournit actuellement près de 3% de l’électricité mondiale et sont bien placées dans la course à la réduction des émissions de carbone.

Aujourd’hui, Dan Zhang et Marko Stojanovic, deux doctorants au sein du Laboratoire de Michael Grätzel de la Faculté des Sciences de Base de l’EPFL, ont dirigé la conception ainsi que fabrication d’un colorant simple pour les cellules DSSC, appelé MS5. Dans les cellules solaires, ce nouvel agent sensibilisateur peut être utilisé soit comme pigment seul, et produire une tension en circuit ouvert – la tension maximale que peut atteindre une cellule photovoltaïque en plein soleil – de 1,24 V, soit comme co-sensibilisateur, avec le colorant commercial XY1b, et permettre un rendement de conversion de puissance de 13,5%. Ces résultats constituent un record dans le domaine des cellules DSSC.

Représentation structurelle 3D de MS5 et photographie de cellules photovoltaïques à pigment photosensible mesurant 3,8 cm2. Crédit : Marko Stojanovic et Dan Zhang.

Leurs travaux sont publiés dans Nature Communications.

Employé en tandem avec le colorant organique codé XY1, le nouveau sensibilisateur permet d’absorber la lumière bleue et jaune du soleil, et augmente en même temps la tension de sortie de l’appareil en retardant la recombinaison des porteurs de charge générés par la lumière. Le MS5, seul ou associé avec XY1, a été utilisé avec un électrolyte contenant des complexes de cuivre (II/I) pour permettre aux cellules DSSC d’atteindre leur rendement maximum.

«Nos travaux représentent une avancée majeure dans l’étude des cellules DSSC et notamment dans la conception des colorants», déclare Michael Grätzel. «Ils révèlent que des performances élevées sont possibles avec un colorant relativement simple et une ingénierie moléculaire judicieuse de la structure moléculaire du sensibilisateur.»

Testé dans des conditions de lumière ambiante, le colorant a montré des performances impressionnantes, ce qui est primordial pour l’efficacité des cellules photovoltaïques par temps nuageux, ou dans des applications en intérieur pour alimenter les appareils électroniques utilisés par exemple pour l’Internet des objets. Enfin, MS5 est facile à synthétiser jusqu’à l’échelle du gramme à l’aide d’une procédure à une seule étape que les chercheurs décrivent dans leur document.

«Non seulement nos résultats font progresser le domaine des cellules photovoltaïques à pigment photosensible, mais ils révèlent aussi l’expertise de premier plan de l’EPFL dans ce secteur», termine Marko Stojanovic.

Nik Papageorgiou

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