Énergie : cette cellule photovoltaïque contient... du bois

Le substrat sur lequel repose cette cellule photovoltaïque est fait de nanoparticules de cellulose produites à partir de végétaux. La température maximale requise durant la fabrication de cette cellule est de 80 °C, soit bien moins que les 3.000 °C qu’il faut atteindre pour obtenir le silicium à partir de la silice avant d'en faire des wafers. © Canek Fuentes-Hernandez, Georgia Institute of Technology 

Les cellules photovoltaïques produisent une énergie renouvelable, en l'occurrence de l'électricité, en exploitant une ressource inépuisable : la lumière solaire. Si cette approche est louable (rappelons qu'aucun gramme de CO₂ n'est émis dans l'atmosphère), elle pose tout de même quelques questions d'ordre environnemental. En effet, la fabrication et le recyclage de ces cellules nécessitent bien souvent l'utilisation de hautes températures particulièrement énergivores. Par ailleurs, certains composants renferment des éléments toxiques (comme le cadmium), qu'il serait préférable de ne pas perdre dans la nature. Une cellule photovoltaïque n'est pas vraiment un produit « vert », du moins pour le moment.

La situation pourrait changer dans les années à venir, puisque des travaux visant à trouver des alternatives sont menés dans le domaine des cellules photovoltaïques organiques. Leur technologie repose sur l'utilisation de semi-conducteurs principalement composés de carbone, comme les molécules du vivant. Ces cellules sont cependant assemblées sur des substrats, classiquement du verre (rigide) ou du plastique (souple), qui ne sont pas non plus eco-friendly. En effet, ils sont produits à partir de dérivés du pétrole ou grâce à de hautes températures.

Les cellules photovoltaïques construites sur un substrat fait de nanoparticules de cellulose (bas de l’image) se recyclent facilement. Une immersion dans de l’eau distillée (flacon 0) fait disparaître ce composé en quelques minutes (le flacon 1 contient de l’eau distillée et les restes de cellulose). Les autres composants peuvent alors être immergés dans un mélange d’eau et de chlorobenzène. La couche d’absorbant faite de polymères se dissout (flacon 2), ce qui libère les contacts métalliques (flacon 3, au fond du récipient, près du chiffre 4). © Canek Fuentes-Hernandez, Georgia Institute of Technology
 

Par le passé, des scientifiques ont déjà eu l'idée d'assembler des cellules sur du papier, donc sur de la cellulose d'origine végétale. Ce matériau n'a cependant pas rencontré le succès escompté, car il s'est montré trop poreux et rugueux. L'idée faisant son chemin, sous l'impulsion de Bernard Kippelen du Georgia Institute of Technology, des chercheurs ont trouvé un autre moyen pour exploiter la cellulose : la transformer en nanoparticules de CNC (pour cellulose nanocrystal), qui peuvent ensuite être assemblées sous forme de substrat. Les tests présentés dans Scientific Reports ont été concluants. 

Un recyclage des cellules photovoltaïques simplifié

Ce substrat en CNC présente l'avantage d'être souple et transparent, tout en étant peu rugueux (ses reliefs font au maximum deux nanomètres de haut). Détail important, il se désagrège complètement en quelques minutes lorsqu'il est immergé dans de l’eau à température ambiante. Ainsi, son utilisation rendrait les cellules photovoltaïques en fin de vie particulièrement faciles à recycler.

Une cellule organique a été assemblée sur ce substrat. Il a successivement été recouvert par un contact arrière en argent, une couche de PEIE (un polymère), le mélange de semi-conducteurs (PBDTTT-C et PCBM), et enfin par l'électrode supérieure faite d'une strate de trioxyde de molybdène et d'une couche d'argent. Le rendement mesuré n'est que de 2,7 %. Un résultat intéressant, mais nettement inférieur aux 11,1 % affichés par la meilleure cellule photovoltaïque organique (assemblée sur un substrat en verre).

Des recherches sont déjà en cours pour améliorer les performances de la cellule construite sur CNC. L'équipe se concentre notamment sur la transparence des collecteurs de charges. Ainsi, les cellules photovoltaïques pourraient bientôt devenir durables et renouvelables, comme l'énergie qu'elles produisent.