Archive pour la catégorie ‘Technologies à suivre’
Actuellement, les cellules solaires commercialisées sont composées de matériaux inorganiques, comme le silicium. Depuis la découverte des polymères conducteurs en 1977 et les premiers transferts d’électrons photo-induit au début des années 90, de nombreuses recherches internationales visent à mettre au point des cellules solaires composées d’au moins une couche active de semi-conducteurs organiques. On distingue :
- les cellules à couches minces organiques (par exemple des polymères carbonés dérivés de la pétrochimie)
- les cellules à colorant (types Grätzel)
Principe
Les cellules à couche mince organique
La couche active est en général constituée d’un matériau Donneur (D) et d’un matériau Accepteur (A). On parle alors d’hétéro-jonction. Cette composition améliore les performances.
Le principe est alors le suivant:
Pour info les excitons sont des paires électrons-trous.
Les cellules à colorants de Grätzel
Les cellules sont des films poreux recouverts d’une très fine couche de particules de pigments en contact avec une solution électrolyte. Quand un photon frappe la cellule, il produit une charge négative dans le pigment et une charge positive dans l’électrolyte, menant à un courant. Pour doper cet effet photovoltaïque assez faible, les scientifiques ont eu l’idée d’augmenter les interfaces entre le colorant et l’électrolyte. Les prototypes comportent ainsi des surfaces actives dont la géométrie rappelle les poumons ou les arbres. Ces organisations vivantes savent maximiser les surfaces de contact, à la manière des fractales. Ce sont du coup les chimistes, et non les physiciens qui sont les plus en pointe dans ce domaine.
Rendement
Le faible rendement atteint jusqu’à présent (5,4 % sur une surface d’1 cm2) et leur durée de fonctionnement réduite empêchaient jusqu’ici leur introduction généralisée sur le marché. Pour comparaison les différents rendements:
- Silicium monocristallin -> 25%
- Silicium polycristallin -> 15%
- Silicium amorphe -> 11%
- Couches minces -> 20%
Perspectives
Les cellules OPV (Organic PhotoVoltaic) présentent plusieurs avantages par rapport aux cellules solaires multi-jonctions, semi-conductrices ou en silicium:
- elles sont particulièrement fines, légères et flexibles.
- elles n’utilisent pas de Silicium (la production de silicium cristallin nécessite de très hautes températures et le silicium de qualité photovoltaïque doit être purifié jusqu’à plus de 99,999%).Ainsi d’une part elles peuvent être produites à bon marché et avec des dépenses en énergie et matériels très réduites.
Et d’autre part, le potentiel d’applications est énorme :
- des applications mobiles comme par exemple l’approvisionnement énergétique d’appareils mobiles: ordinateurs, portables, PDA, MP3, MP4, livre électronique…
- des applications en extérieur: tuiles, voiles de bateau, feuille photovoltaïque sur des tentes, carrosserie de voiture…
Les recherches continuent et portent sur:
- l’amélioration de l’efficacité des cellules solaires organiques avec un objectif de rendement des cellules à 9 -10 %, notamment par la recherche de nouveaux matériaux et des procédés d’encapsulation (car l’oxygène très électro-négatif réagit avec les électrons et fait baisser les performances)
- l’augmentation de leur durée de fonctionnement réduite à cause de la dégradation des polymères lorsqu’ils sont exposés au soleil
- l’optimisation des techniques de production bon marché comme par exemple la mise en forme à partir d’encre ou de peinture qui permet de couvrir de grandes surfaces et des substrats flexibles comme des textiles ou du silicone.
Quelques Acteurs
- projet OPEG (Photovoltaïque organique pour un approvisionnement énergétique intégrable): aliance de eliatek,
- BASF et l’Institut de photovoltaïque appliquée (IAPP)
- laboratoire d’Ingénierie moléculaire d’Angers
- L’école polytechnique fédérale de Lausanne
- Equipe de recherche commune ‘Electronique Organique’ CEA / Ecole polytechnique
Sources
http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/59883.htm
http://fr.wikipedia.org/wiki/Cellule_photovolta%C3%AFque_organique
http://fr.wikipedia.org/wiki/Cellule_Gr%C3%A4tzel
http://catalogue.polytechnique.fr/site.php?id=177&fileid=993
L’électrochromisme est la propriété démontrée par certaines espèces chimiques de changer de couleur de manière réversible lors d’une réaction d’oxydo-réduction. Cette réaction est contrôlée par l’application d’une charge électrique. Le changement de couleur provient de la formation de nouvelles bandes d’absorbtion.
Un exemple de matériau électrochromique est le tri-oxyde de tungstène (WO3), qui est la principale espèce chimique utilisée dans la production de vitres électrochromes ou vitres « intelligentes ». On peut utiliser différents cations: Li+, H+, Na+, K+
Dans le cas de Li+, la réaction de coloration dit « cathodique » est la suivante :
WO3 + xLi+ + xe- → LixWO3
« Incolore » BLEU
Certains oxydes sont colorés en absence de cations (Li+ ou H+). Dans ce cas on parle d’une coloration « anodique »
(exemple : IrO2est noir et LixIrO2 est jaune pâle, presque incolore).
Principe
Lorsqu’une tension (de l’ordre de 1 ou 2V) est appliquée entre les conducteurs transparents (en jaune dans le schéma ci-dessous), un champ électrique s’établit et les cations Li+ se déplacent uniformément à travers l’électrolyte (en vert) vers la couche électrochromatique (WO3 sur le schéma) et a lieu alors la réaction d’oxydoréduction qui voit la formation d’un « bronze de tungstène » de couleur bleue foncée.
Le système est réversible, il suffit d’inverser la tension appliquée. La régulation du degré d’obscurité du film peut être manuelle ou automatique (contrôle électronique). A noter que la réaction n’est pas instantanée, il faut tenir compte d’un « temps de commutation ». Le changement de couleur est persistant et il n’y a besoin d’énergie que pour effectuer une modification de couleur.
Perspectives
Le phénomène est connu depuis une trentaine d’année mais le développement d’applications commerciales était bloqué jusqu’à présent par les coût de fabrication exhorbitants (de l’ordre de plusieurs centaines d’euros le m²) et la faible durée de vie des produits (5 ans).
Le développement de films souples semble prometteur pour trois raisons:
- il devient possible d’utiliser le principe du roll-to-roll pour sa fabrication (machines rotatives comme pour les journaux) ce qui réduit considérablement le coût
- la souplesse d’un film permet d’intégrer la technologie dans un grand nombre de produits (masque de ski ou casques, vitres d’habitation ou de véhicule…). A souligner, l’énorme marché que représente ces « vitres intelligentes » dans une perspective d’efficacité énergétique des bâtiments.
- les possibilités de variations de couleurs offrent des possibilités de camouflage (effet caméléon), et voir d’utilisation pour des écrans digitaux de petites tailles.
Les recherches se poursuivent sur l’amélioration du processus de fabrication, sur les sytèmes de commande intelligent et sur les polymères et les électrodes à utiliser (gamme de couleurs, vitesse de changement de couleur).
Quelques acteurs
- L’Institut pour les nouveaux matériaux (INM) à Sarrebruck (Allemagne)
- Certhech (Belgique)
- Saint-Gobain
- Chromogenics (Suède)
Sources
http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectrochromisme
http://www.chromogenics.se/docs/science13.pdf
http://www.enerzine.com/15/8148+enfin-des-fenetres-intelligentes+.html
http://docinsa.insa-lyon.fr/these/2005/assimakopoulou/08_chapitre3.pdf
http://recherche-technologie.wallonie.be/