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Les techniques photovoltaïques à venir

Dossier - Les cellules photovoltaïques, cœur des panneaux solaires
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De nombreuses cellules photovoltaïques ont vu le jour pour exploiter au mieux la lumière du Soleil au travers de panneaux solaires. Afin de produire de l’électricité, silicium, terres rares ou plastiques sont employés, mais chaque technologie a des atouts et des faiblesses dans ce domaine prometteur.

  
DossiersLes cellules photovoltaïques, cœur des panneaux solaires
 

Certaines cellules photovoltaïques font de plus en plus parler d'elles, alors que d'autres restent méconnues, même si l'avenir pourrait leur sourire. Les technologies mises en jeu sont diverses et variées : concentration de la lumière solaire, imitation de la photosynthèse ou encore recours à des boîtes quantiques.

Il est difficile de dresser une image complète des technologies photovoltaïques actuelles, tant les pistes explorées par la recherche sont nombreuses. Certaines structures en cours de développement méritent néanmoins d'être évoquées.

Les cellules photovoltaïques à concentration

Dans un panneau solaire, les cellules photovoltaïques sont ce qu'il y a de plus onéreux. Des solutions ont donc été recherchées pour réduire leur nombre. L'une d'entre elles consiste à concentrer 500 à 1.000 fois la lumière solaire sur des cellules à multijonction (elles ont des rendements de 30 à 40 %), grâce à des miroirs paraboliques ou des lentilles de Fresnel.

Les cellules à multijonction s'obtiennent en empilant plusieurs entités photovoltaïques différentes les unes sur les autres, ce qui permet de convertir une plus grande partie du spectre lumineux (ondes courtes, ondes moyennes, rayonnement infrarouge). Ces cellules sont couramment exploitées dans l'industrie spatiale, mais pas par les particuliers, tant elles sont coûteuses.

Cependant, cette technologie n'est efficace qu'à une seule condition : les panneaux doivent suivre la course du Soleil. En effet, le rayon lumineux concentré doit en permanence être axé sur la cellule si l'on souhaite générer un courant.

Les cellules à pigments photosensibles

Grâce aux travaux de Michael Grätzel, les cellules à pigments photosensibles ont vu le jour en 1991 à l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). Elles s'inspirent directement de la photosynthèse pratiquée par les végétaux.

Les cellules Grätzel peuvent exhiber différentes couleurs, ce qui permettrait une meilleure intégration des panneaux solaires dans notre environnement quotidien. © Sastra, Wikimedia Commons, DP

Ces cellules se composent d'une surface conductrice transparente (par exemple en oxyde d'étain dopé au fluor) sur laquelle est déposé un matériau semi-conducteur comme le dioxyde de titane (TiO2). Des pigments, telle la polypyridine au ruthénium, sont insérés à l'intérieur de cette dernière couche. Leur fonction est comparable à celle de la chlorophylle des végétaux. Le dispositif est complété par une couche d'électrolytes (une solution iodure-triiodure), puis par la cathode qui forme la paroi inférieure de la cellule.

La lumière solaire provoque l'éjection d'un électron hors du pigment. Il diffuse ensuite dans le semi-conducteur, jusqu'à rejoindre l'anode. Ce mouvement n'est possible que pour une seule raison : l'électrolyte donne des électrons au pigment qui vient d'en perdre, avant que la charge négative excitée puisse se recombiner. L'accumulation des électrons dans la partie haute de la cellule cause alors l'apparition d'une différence de potentiel.

En mai 2013, un rendement record de 15 % a été atteint en laboratoire par Michaël Grätzel à l'EPFL. Quant aux cellules commerciales, elles ne dépassent pas 5 %, mais elles ont cependant un important défaut : elles vieillissent très rapidement.

Les cellules solaires à boîtes quantiques

Le domaine des nanotechnologies n'a pas encore été abordé dans ce dossier. Il est pourtant prometteur, bien que toujours expérimental. Les boîtes quantiques sont des nanocristaux semi-conducteurs mesurant moins de 10 nm. Ces boîtes présentent deux caractéristiques importantes : elles captent la lumière à différentes longueurs d'onde, et sont faciles à produire à moindre coût.

Les cellules à boîtes quantiques se composent d'une plaque de verre qui est recouverte par de l'oxyde d'étain dopé au fluor. Il sert de conducteur transparent. Un matériau semi-conducteur, comme le dioxyde de titane ou l'oxyde de zinc, est alors posé sur cette couche, avant d'être lui-même recouvert par les boîtes quantiques. Le tout est finalement fixé par un oxyde de molybdène, de l'or et de l'argent. L'épaisseur totale du dispositif est d'environ 1,5 µm.

Un rendement record de 7 % est actuellement détenu par des chercheurs de l'université de Toronto, au Canada. Cependant, il serait théoriquement possible d'atteindre des valeurs de 60 à 83 %.