Vers des cellules solaires peintes sur de l'acier plat ?

Une équipe du Centre de recherche sur les matériaux de la Faculté de Sciences de l'Ingénieur de l'Université de Swansea (Pays de Galles) coordonne un projet de recherche visant à déposer de façon industrielle des cellules solaires sur des feuilles d'acier plat. L'objectif est d'utiliser les bardages et toits en acier des bâtiments pour produire de l'électricité.

Pour cela, les scientifiques britanniques, en collaboration avec le groupe sidérurgique britannique Corus, travaillent sur des cellules solaires sensibilisées à colorant (les DSSCs pour Dye sensitised solar cells, voir en fin d'article) qu'ils souhaiteraient peindre par spray sur le substrat acier. Ils ont choisi ce type de cellule notamment pour son faible coût et pour son efficacité à l'extrémité la moins énergétique du spectre solaire, convenant bien au climat britannique.

Le groupe de l'Université de Swansea collabore depuis de nombreuses années avec l'industrie sidérurgique britannique, notamment avec le groupe Corus (qui possède d'ailleurs deux usines à proximité de Swansea, à Llanelli et Port Talbot). C'est en travaillant sur la durabilité de l'acier et de ses revêtements, et notamment des peintures à base de pigments de dioxyde de titane, que les chercheurs gallois ont eu l'idée de créer une peinture qui fonctionne comme une cellule solaire sensibilisée à colorant. Ils souhaiteraient exploiter la même technologie que celle actuellement utilisée en aciérie par Corus et qui consiste à peindre les feuilles d'acier en les passant entre des rouleaux. Les scientifiques espèrent atteindre ainsi un rendement compris entre 30 et 40 m2 par minute.

Un financement de recherche, alloué par le Welsh Energy Research Centre (WERC, le Centre gallois de recherche en énergie) du gouvernement de l'Assemblée galloise, a permis à l'équipe galloise d'étudier, en collaboration avec Corus, la faisabilité d'un tel système. Les résultats obtenus ont mené à un financement de plus de 1,5 million de livres (environ 1,9 million d'euros) accordé par le conseil de recherche Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) à un consortium composé de l'Université de Swansea, de l'Université de Bangor, de l'Université de Bath et d'Imperial College London.

Toutefois, l'application continue de cellules solaires sensibilisées à colorant sur des feuilles d'acier pose d'importants défis scientifiques, au moins dans quatre domaines :
- le développement de couches sensibilisées actives de dioxyde de titane nanostructuré présentant de bonnes propriétés d'adhésion et compatibles avec une application à grande vitesse ;
- le développement d'un électrolyte approprié et qui élimine les composants volatiles et les problèmes d'étanchéité associés ;
- l'optimisation de l'efficacité de collecte et du design de la contre-électrode ;
- la durabilité et la compatibilité des matériaux afin d'assurer une durée de vie opérationnelle raisonnable en extérieur (ceci inclut en particulier le développement de couches barrières appropriées pour prévenir la corrosion du substrat d'acier).

Les compétences sont réparties entre les différents partenaires du consortium : cellules solaires sensibilisées à colorant pour Imperial College, photoélectrochimie pour l'Université de Bath, dépôt de matériaux et chimie de surface pour l'Université de Bangor et développement du revêtement de l'acier pour l'Université de Swansea.

Les installations de revêtement de Corus Colors, la division spécialisée du groupe Corus, produisent un million de tonnes par an de produits à base d'acier peint, ce qui correspond à environ cent millions de m2 de toits et de bardages. Les chercheurs gallois estiment que, en revêtant cette surface de matériel photovoltaïque et en supposant un taux de conversion de 5%, on pourrait générer une puissance annuelle de 450 GigaWatts, soit l'équivalent de 50 fermes éoliennes.

L'équipe est déjà parvenue à peindre de petites cellules de démonstration sur un substrat acier et espère être en mesure de produire une cellule commerciale dans les deux ans et demi à venir.

Les cellules solaires sensibilisées à colorant ou cellules de Graetzel

Ces cellules solaires portent le nom de leur co-inventeur, Michael Graetzel, professeur de chimie physique à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). Elles sont caractérisées par le fait que, à la différence des cellules classiques, les processus d'absorption de la lumière et de séparation des charges électriques sont différenciés. Leur fonctionnement est en fait inspiré du processus de photosynthèse des plantes au cours duquel la chlorophylle à la surface des feuilles absorbe la lumière et distribue des électrons, dont l'énergie est utilisée ailleurs dans la plante.

Une cellule de Graetzel est composée d'un assemblage de nanocristaux d'oxyde de titane (TiO2), bien connectés entre eux, sur la surface desquels est greffé un colorant, le sensibilisateur. Les photons incidents absorbés par le sensibilisateur provoquent l'éjection d'électrons ; ces électrons sont absorbés par les nanoparticules d'oxyde de titane et transportés vers une couche transparente conductrice située sous la couche de TiO2. Pour éviter que les électrons éjectés soient tout de suite récupérés par le colorant et s'y recombinent, une solution électrolytique contenant des ions iodure et conductrice de trous, fournit des électrons au colorant. Ce phénomène de régénération est alors beaucoup plus rapide que le phénomène de recombinaison. Dans une cellule complète, les trous et les électrons créés au niveau des molécules de colorant sont donc transférés séparément vers les électrodes externes.

Les cellules solaires sensibilisées à colorant présentent l'avantage d'être moins coûteuses que les cellules classiques à base de silicium et d'être efficaces à l'extrémité basse fréquence du spectre de la lumière solaire (rouge visible et infrarouge). Leur taux de conversion maximal (environ 11%) reste toutefois inférieur à celui des meilleures cellules photovoltaïques.

Source : Polyrama 119, EPFL, http://polyrama.epfl.ch/art_P119_Graetzel.html