Blog de Jérémy Goldyn

Le professeur Di Zhang et ses collègues à l’université de Shanghai ont eu l’idée d’utiliser la structure des ailes du papillon « Papilio paris » afin de fabriquer des cellules solaires plus efficaces. Cet exemple issu de la nanostructure montre encore que le fait d’utiliser des structures naturelles permet de développer des concepts forts intéressants dans de nombreux domaines.

Les écailles de ce papillon se présentent sous la forme de nids d’abeilles et ont la propriété de capter un maximum de lumière. En effet, la lumière réfractée par les loges qui composent l’écaille peut être absorbée par une autre loge. Ainsi, on comprend vite l’intérêt de cette structure dans le domaine de l’énergie solaire photovoltaïque afin d’accroître la quantité de lumière absorbée et donc d’améliorer les rendements. La structure des panneaux solaires actuels ont justement la problématique de réfléchir la lumière quand le Soleil est bas dans le ciel.

Un autre exemple dans le domaine afin d’augmenter l’efficacité énergétique des cellules solaires photovoltaïques était de copier la structure de la cornée de certains papillons de nuit. Le raisonnement était le même : la structure de la cornée  empêche la réflexion de la lumière et augmente ainsi la quantité de la lumière absorbée.

Cependant, il ne s’agit pas d’utiliser des cellules solaires conventionnelles comme on en retrouve sur le marché, c’est-à-dire des cellules fabriquées à partir de silicium. Il s’agit ici d’améliorer l’efficacité des cellules solaires en dioxyde de titane.

L’oxyde de titane est un minéral très abondant, non toxique qui présente la propriété d’absorber les UV (rayonnement haute énergie) et de produire des électrons capables de dégrader des composés. L’intérêt est que ce matériau ainsi que le processus de fabrication afin d’en faire des cellules photovoltaïques sont économiques.

Les cellules en dioxyde de titane ou encore appelée  cellule « Grätzel » sont des cellules qui différencient les niveaux d’absorption de la lumière contrairement aux cellules traditionnelles au silicium. Ces cellules se présentent sous la forme d’une monocouche où un sensibilisateur (colorant organique absorbant la lumière) est greffé sur la surface d’un oxyde semi conducteur (le dioxyde de titane TiO₂).

Fonctionnement : quand les rayons du Soleil frappent la surface du panneau, le colorant organique a suffisamment d’énergie pour ejecter un électron. Les électrons libérés circulent via le TiO₂ jusqu’ à la péripherie de la cellule où ils sont collectés. Ils circulent ensuite dans un circuit extérieur où leur passage génère de l’électricité. Pour former un cycle,  un électrolyte composé d’iode surchargé d’électrons permet de boucher les électrons libérés par le colorant le temps que ceux-ci traversent le circuit et reviennent alors dans l’électrolyte (circuit fermé). Cette étape est très importante pour éviter le phénomène de surchauffe des cellules constituant le panneau solaire.

À la base, le rapport prix /performance était déjà compétitif par rapport aux autres technologies connues. Bien qu’elles ne présentaient un rendement que de l’ordre de 11 %, soit la moitié des cellules au silicium actuel de 22 %, les nouvelles cellules élaborées par Di Zhang et son équipe auraient la capacité d’absorber deux fois plus de lumière que les cellules en titane conventionnelles et de en plus, elles sont plus faciles à fabriquer.

Cette idée avait également été étudiée précédemment par une équipe de chercheurs de « l’University of Washington » où on a essayé d’augmenter la surface spécifique des composés actifs (oxyde de zinc ZnO) des cellules solaires en intégrant ceux-ci sous forme de nanosphères. Ainsi, la lumière réfléchie est absorbée par les sphères voisines, ce qui augmente les performances d’absorption et donc les rendements des cellules. On a pu tripler le rendement des cellules et l’idée est donc d’adapter cette technique pour du TiO₂. Sur le schéma ci-dessous, on peut observer la différence de surface spécifique entre les nanosphère de ZnO et les cellules de silicium classique.

Cette technologie pourrait révolutionner le solaire photovoltaïque pour des projets de grandes ampleurs surtout d’un point de vue économique. Une première idée serait par exemple de rendre moins cher la production d’hydrogène à partir de l’électrolyse de l’eau.