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Un stockage d'énergie solaire révolutionnaire qui imite la nature

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Le stockage d'électricité solaire, une question au cœur de la transition énergétique, reste encore problématique. Des chimistes américains pourraient avoir trouvé la solution avec un procédé capable de stocker cette énergie durant plusieurs semaines, contre quelques microsecondes jusqu'à présent. Leur secret : réorganiser les matériaux au sein de cellules photovoltaïques organiques en s'inspirant des plantes et de la photosynthèse.

La nature sait parfaitement bien produire de l’énergie par photosynthèse, à partir de la lumière reçue du soleil. Des scientifiques se sont inspirés de ses structures millénaires pour améliorer nos systèmes photovoltaïques. © Bjoern Schwarz, Flickr, CC by 2.0

Les énergies renouvelables comme l'énergie solaire ou éolienne ne sont pas prédictibles. Personne ne pourra jamais garantir que le soleil brillera au moment où les consommateurs auront besoin d'électricité. Il est donc indispensable de pouvoir stocker à volonté cette électricité mais le problème n'a pas encore été résolu de manière simple et peu coûteuse. Jusqu'à présent, les matériaux utilisés pour fabriquer les panneaux solaires ne sont pas capables de stocker l'énergie pendant plus de quelques microsecondes mais la situation pourrait bientôt changer...

Une équipe de l'université de Californie à Los Angeles (UCLA) vient en effet de mettre au point une structure révolutionnaire permettant de stocker de l'électricité solaire pendant plusieurs semaines ! Pour parvenir à leurs fins, les chimistes se sont inspirés du mécanisme qui permet aux plantes de produire de l'énergie par photosynthèse« Les plantes exposées au soleil ont développé, au cœur de leurs cellules, des nanostructures spécialement organisées pour rapidement séparer les charges [électriques, NDLR], explique Sarah Tolbert, professeur de chimie à l'UCLA. Ces structures permettent d'écarter les électrons des molécules chargées positivement et de maintenir les deux séparés aussi longtemps que nécessaire. Cette phase de séparation est la clé de l'efficacité de l'ensemble du processus. »

Les panneaux solaires traditionnels sont construits à partir de silicium. Mais ce dernier coûte cher et les scientifiques voudraient pouvoir concevoir des cellules meilleur marché à base de plastique. Dans ce genre de cellules photovoltaïques, dites organiques, le donneur d'électrons est constitué de polymères et l'accepteur nanostructuré de molécules de fullerène. Le polymère absorbe la lumière du soleil et transmet les électrons à l'accepteur en fullerène pour générer de l'électricité. Seulement, le processus manque d'efficacité. Notamment parce que les charges négatives et positives ont la fâcheuse tendance de se recombiner avant d'avoir pu produire de l'électricité.

Des chimistes de l’UCLA proposent de réorganiser les matériaux au sein des cellules photovoltaïques organiques : en vert, les chaînes de polymères donneurs et en rouge et bleu, les sphères de fullerènes accepteurs. © UCLA Chemistry

Organiser les chaînes de polymères et les molécules de fullerène

Pourquoi les charges négatives et positives se recombinent-elles si vite dans les panneaux solaires traditionnels ? Du fait du désordre qui règne dans la structure. Avec un peu d'imagination, on peut se figurer la structure des cellules photovoltaïques organiques un peu comme un plat de pâtes à la bolognaise. Les spaghettis y sont remplacés par de longues chaînes de polymères désorganisées et les boulettes de viande aléatoirement réparties sur l'ensemble, par des molécules de fullerène. Dans une telle configuration, les électrons qui migrent dans un premier temps vers le fullerène ont tendance à revenir rapidement vers les polymères. Il est alors difficile de produire de l'électricité.

Alors, pourquoi ne pas concevoir, à l'échelle nanométrique, une structure qui ressemblerait à celle, redoutablement efficace, mise en place par les plantes ? Plus facile à dire qu'à faire, semble-t-il. Les chimistes de l'UCLA y sont pourtant parvenus. Ils ont, en quelque sorte, mis de l'ordre dans le plat de spaghettis bolognaise et voici désormais que les spaghettis se retrouvent arrangés en fagots dans lesquels certaines boulettes de viande sont piégées pendant que d'autres restent à l'extérieur. Ainsi le fullerène à l'intérieur de la structure attire les électrons des polymères puis les expulse vers le fullerène situé à l'extérieur. Ce dernier peut alors les tenir à l'écart des polymères pendant des heures, voire des semaines.

Plus fort encore, le matériau conçu par les chimistes de l'UCLA sait s'auto-assembler pour former la structure adéquate. En effet, il n'y a qu'à mettre les différents constituants en contact dans une solution pour qu'ils s'assemblent selon la structure voulue. « Nous avons travaillé très dur pour arriver à un résultat pour lequel nous n'aurions plus besoin de travailler très dur », plaisante Sarah Tolbert. Ce nouveau design est également plus respectueux de l'environnement. Il peut en effet être produit dans de l'eau et ne nécessite pas le recours à des solutions organiques toxiques comme celles actuellement utilisées. Reste maintenant à trouver un moyen d'intégrer cette nouvelle technologie dans de véritables cellules solaires. Car pour l'heure, les tests n'ont pu être réalisés qu'en solution...

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