Des colorants photochromes s'invitent dans le photovoltaïque

Des chercheurs de l'Irig présentent des cellules solaires photochromiques sensibilisées par des molécules photo sensibilisatrices permettant un changement de couleur et une transmission de la lumière auto-ajustable sous l'action de la lumière. Ils démontrent que ces cellules présentent une efficacité de conversion de puissance allant jusqu'à 4,17 %, un processus de coloration-décoloration réversible, et une stabilité allant jusqu'à 50 jours.

Les dernières générations de cellules solaires, et en particulier celles intégrant des matériaux organiques, présentent l'avantage de pouvoir être semi-transparentes. Cette particularité est intéressante pour le développement de vitrages photovoltaïques intégrables dans les bâtiments ou les automobiles. Cependant un compromis entre transparence et efficacité doit systématiquement être trouvé pour ces cellules solaires. Pour l'intégration de ce type de dispositifs semi-transparents dans les vitrages, l'idéal serait qu'ils puissent produire de l'électricité tout en offrant la possibilité d'ajuster automatiquement leur transmission lumineuse en fonction de l'intensité de la lumière du jour. En développant des cellules solaires à base de nouveaux colorants photochromes, une équipe de l'Irig a peut-être trouvé la solution à ce problème. Les cellules solaires à colorant photochromes présentent en effet une grande transparence, mais elles s'assombrissent sous fort ensoleillement pour produire de l'électricité et s'éclaircissent dès que la lumière du soleil décline.

Ces dernières années, pour faire progresser les performances des cellules solaires à colorants, les chimistes ont synthétisé de nombreuses molécules organiques de plus en plus efficaces. Avec ces molécules photo sensibilisatrices, il est possible de développer des cellules solaires colorées et semi-transparentes dont certaines ont pu être intégrées dans la façade de bâtiments publics comme en Suisse à l'EPFL ^[1]. Malheureusement, le développement de dispositifs photovoltaïques semi-transparents efficaces reste une tâche ardue. En effet si on veut atteindre un bon rendement photovoltaïque, il faut absorber beaucoup de lumière, mais si on absorbe fortement la lumière ; or absorber fortement la lumière conduit inexorablement à détériorer la transparence...

Pour relever le défi de réconcilier transparence et efficacité, des chercheurs de l'Irig ont proposé une nouvelle stratégie. Cette stratégie est basée sur l'intégration de molécules photochromiques à base de diphényl-naphtopyranes dans les cellules à colorants. Ces molécules sont capables de s'isomériser sous exposition à la lumière, ce qui les conduit à changer de couleur ; elles retournent ensuite à leur forme incolore lorsque l'exposition lumineuse cesse.

Dans leur dernière étude publiée dans la revue Nature Energy ^[2], les chercheurs ont donc intégré une unité photochromique dans la structure de divers colorants et ont pu démontrer que leur comportement photochromique était conservé une fois intégrés dans les dispositifs. À l'aide de ces molécules, ils sont parvenus à fabriquer et caractériser des cellules solaires et des mini-modules qui présentent des couleurs variables sous radiation lumineuse passant du jaune pâle à l'orangé, au rouge ou encore au vert foncé sous forte luminosité, augmentant dans le même temps leur rendement photovoltaïque.


Les cellules solaires photochromiques passent du jaune clair à l'orange, au rouge ou encore au vert foncé sous l'effet d'une forte luminosité, tout en augmentant leur efficacité photovoltaïque.
© Renaud Demadrille.

Les premiers prototypes de cellules solaires photochromiques ainsi réalisés montrent une efficacité de conversion de puissance maximale de 4,1 % tout en présentant un changement de couleur réversible sous irradiation et une variation de transparence allant de 69 % à 27 %. Enfin, des résultats préliminaires montrent que ces cellules solaires photochromiques peuvent être stables plusieurs mois sans encapsulation, c'est-à-dire sans aucune protection sur la cellule. En utilisant cette approche, les chercheurs ont fabriqué des mini-modules photochromiques semi-transparents d'une surface active de 14,08 cm² qui ont une puissance de 32,5 mW.

Ce travail ouvre la voie au développement d'une nouvelle classe de cellules solaires semi-transparentes capables de changer de couleur et de montrer une transmission de lumière auto-ajustable. Un premier pas vers des vitres photovoltaïques photochromiques.

Références:

^[1] Joly D, Pelleja L, Narbey S, Oswald F, Meyer T, Kervella Y, Maldivi P, Clifford JN, Palomares E and Demadrille R.
Metal-free organic sensitizers with narrow absorption in the visible for solar cells exceeding 10% efficiency.
Energy & Environmental Science, 2015, DOI: 10.1039/c5ee00444f.

^[2] Huaulmé Q, Mwalukuku VM, Joly D, Liotier J, Kervella Y, Maldivi P, Narbey S, Oswald F, Riquelme AJ, Anta JA and Demadrille R

Photochromic dye-sensitized solar cells with light-driven adjustable optical transmission and power conversion efficiency.
Nature Energy, 2020, DOI: 10.1038/s41560-020-0624-7.