Les cellules solaires sensibilisées au colorant

Résumé du document

Le prix des énergies fossiles a considérablement augmenté depuis les 40 dernières années et leur utilisation cause un problème majeur, elle rejette du CO2,principal gaz à effet de serre anthropique.
Pour palier à ces 2 problèmes, l'énergie solaire et notamment l'énergie photovoltaïque semble être une bonne solution pour l'avenir. Cependant, cette filière principalement basée sur le silicium (Si) est extrêmement coûteuse, c'est pourquoi il est nécessaire de développer de nouvelles techniques pour
produire de l'énergie photovoltaïque à bas coût. C'est dans ce cadre, que les travaux du professeur Graetzel (Ecole polytechnique fédérale de Lausanne) et de son équipe ont aboutit sur les cellules solaires sensibilisées au colorant.

Extraits

[...] Cellules nanocristallines Les cellules solaires sensibilisées au colorant (ou cellule nanocristalline) sont des cellules photoélectrochimique, elles utilisent un électrolyte pour transporter les charges positives et un semi-conducteur pour transporter les électrons. Elles se rapprochent de la photosynthèse, du fait que les fonctions d'absorption de la lumière et de séparation des charges électriques sont différenciées (contrairement aux cellules photovoltaïques classiques). Bien que de nombreux brevets existent sur l'amélioration de toutes les parties composant les cellules nanocristallines, leur fonctionnement général, que nous allons expliquer, reste sensiblement le même. [...]

[...] De manière simplifiée, grâce à une jonction les électrons libres de de la couche n diffusent vers la couche p et les trous libres de la couche p diffusent vers la couche n. Les trous et les électrons vont avoir tendance à se recombiner laissant derrière eux des charges fixes, négative dans la couche p et positive dans la couche ce qui à pour effet de créer un champ électrique permanent, qui permet la séparation des charges (électrons + trous) créées par l'effet photovoltaïque. Ensuite, les électrons et les trous sont collectés par des contacts métalliques disposés sur la couche n et sur la couche p du Si. [...]

[...] Graetzel) Nous parlerons donc dans une seconde partie des cellules nanocristalline (ou cellule à colorant). Cellules photovoltaïques au silicium Avant de pouvoir parler des cellules solaires à colorant, il est important de connaître le fonctionnement général des cellules photovoltaïques au silicium, afin de voir les nouveautés que présentent les cellules nanocristallines. Principe de fonctionnement: Le principe de toutes les cellules solaires repose sur l'effet photoélectrique Si l'on soumet un matériau à un flux de photons (particule de lumière), des électrons peuvent être arrachés de leur atome, si l'énergie des photons est plus grande que l'énergie de liaison des électrons à leur atome. [...]

[...] Le cycle de cette cellule solaire est donc bouclé et on peut résumer son fonctionnement par le schéma suivant: Electrode: S + hv + e-(TiO2) 2S+ + 3I2S + I-3 I-3 + 2e-(Platine) 3IAbsorption Injection de l'électron Régénération Contre électrode: La tension maximale que peut délivrer ce type de cellule solaire est la différence de potentiel entre le niveau de la bande de conduction du TiO2 et le potentiel d'oxydoréduction du couple redox utilisé (voir l'illustration 3). Une cellule à colorant développe typiquement une tension de l'ordre de 0,7 à 0,9 sous irradiation directe de 1000W/m2. BC Fermi Level BV Illustration Principle of operation schématic of a solar cell of dyesensitized Maintenant que nous avons vu le fonctionnement global d'une cellule solaire à colorant, nous allons nous intéresser plus particulièrement aux 2 principaux composants qui permettent le bon fonctionnement de cette cellule, à savoir: le colorant qui permet l'absorption de lumière et TiO2. [...]

[...] Le colorant: L'absorption de la lumière se fait au niveau du colorant. Le choix de celui-ci doit donc satisfaire plusieurs conditions: une bonne absorption du spectre solaire il doit être stable, pour pouvoir effectuer environ 100 millions de cycles (excitation/désexcitation), soit 20 ans de fonctionnement et enfin le colorant choisit doit être capable d'injecter un électron dans la bande de conduction du TiO2. Les colorants qui répondent le mieux à ces conditions, sont les complexes métalliques, notamment les complexes de ruthénium (Ru). [...]