Les cellules photovoltaïques mésoscopiques à pigment photosensible (DSC) ont été inventées dans les années quatre-vingt dix par Brian O’Regan et Michael Grätzel, professeur à l’EPFL, le nom de ce dernier étant utilisé pour nommer ces cellules « Grätzel ». Les DSC convertissent la lumière en électricité au moyen de photo-sensibilisateurs. Des pigments absorbent la lumière et injectent des électrons dans un réseau de nano-cristaux d’oxyde qui permet de les collecter sous forme de courant électrique.
Les photo-sensibilisateurs sont attaché à la surface de films de dioxyde de titane nanocristallin mésoporeux imbibés d’électrolytes à activité redox ou à un matériau solide de transport de charges. La structure créée génère l’électricité en déplaçant les électrons du photo-sensibilisateur vers une sortie électrique, appareil ou unité de stockage.
Utilisation de la lumière ambiante
Les cellules DSC sont transparentes. Elles peuvent être fabriquées dans de multiples couleurs dans une optique de réduction des coûts et sont déjà intégrées dans des puits de lumière, des serres et des façades en verre, comme celles du SwissTech Convention Center. Des versions flexibles ultralégères sont proposées dans le commerce pour l’alimentation d’appareils électroniques portables et dans le domaine de l’Internet des Objets, en utilisant la lumière ambiante.
Des progrès dans le domaine des photo-sensibilisateurs et d’autres composants des cellules DSC ont permis d’améliorer les performances tant à la lumière du soleil qu’à la lumière ambiante. Mais la clé pour améliorer l’efficacité réside dans la compréhension et le contrôle de l’assemblage des molécules pigmentaires sur la surface des films de nanoparticules de dioxyde de titane favorisant la génération de la charge électrique.
La méthode de la co-sensibilisation permet de produire des cellules avec deux pigments différents – voire plus – présentant une absorption optique complémentaire. La co-sensibilisation a porté le rendement de conversion de puissance à des valeurs record, cette méthode présentant potentiellement l’avantage de pouvoir combiner des pigments capables d’absorber la lumière sur l’intégralité du spectre. La co-sensibilisation s’est aussi révélée inefficace dans certains cas, car la recherche des combinaisons judicieuses de pigments capables d’absorber une grande quantité de lumière et d’offrir un rendement de conversion de puissance maximum impose un énorme travail de conception, de synthèse et de criblage moléculaire.
Or, des scientifiques des groupes de Grätzel and Anders Hagfeldt à l’EPFL ont développé une méthode améliorant l’assemblage de deux nouvelles molécules pigmentaires photosensibilisantes et d’accroître la performance des DSC. Ces nouveaux photo-sensibilisateurs peuvent récolter une grande quantité de lumière sur l’intégralité du spectre visible. L’équipe a développé des DSC offrant pour la première fois un rendement de 15,2% à la lumière du soleil simulée standard, avec une stabilité opérationnelle testée de plus de 500 heures. L’augmentation de la surface active de 2,8 cm2 a permis d’obtenir un rendement de conversion de puissance situé entre 28,4% et 30,2% sur une large plage d’intensités de lumière ambiante et ce, avec une excellente stabilité. «Nos découvertes ouvrent la voie à un accès aisé à des DSC hautes performances et ouvrent des perspectives prometteuses pour des applications telles que le remplacement de l’alimentation réseau et par batterie d’appareils électroniques de faible puissance utilisant la lumière ambiante comme source d’énergie.» expliquent Grätzel et Anders Hagfeldt . Cette recherche a été financée dans le cadre d’un programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne, et par Fonds national suisse de la recherche scientifique
