La pile sensibilisée par un colorant
Au début des années 1990, le professeur Michaël Grätzel, de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suisse, a mis au point un nouveau type de cellule photovoltaïque basé sur le principe de la photosynthèse [1]. Cette pile solaire sensibilisée par un colorant est illustrée à la Figure 1a et son principe de fonctionnement est présenté à la Figure 1b.
Figure 1 a) Pile solaire (module de 6 unités) sensibilisée par un colorant [2] et b) schéma de fonctionnement de ce type de pile.
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Fonctionnement de la pile sensibilisée par un colorant
La photo-anode (électrode où a lieu l’oxydation d’une espèce réduite en solution sous l’effet de la lumière) de ce type de cellule est constituée d’un semi-conducteur à large bande interdite (n-TiO2) qui a l’avantage d’être peu dispendieux [3]. Cependant, ce matériau permet seulement d’absorber les photons du faisceau lumineux situés dans la région de l’ultraviolet (UV). Comme ces photons ne représentent que 4% du spectre solaire, le TiO2 est recouvert d’une monocouche d’un colorant généralement constitué d’un complexe de ruthénium (S) afin d’augmenter l’absorption dans le domaine du visible.
Sous l’effet de l’illumination par des photons d’énergie hν, les électrons des molécules de colorant sont promus du niveau fondamental (S) vers un niveau excité (S*), avant d’être injectés à une vitesse ultra-rapide (~100 ps) dans la bande de conduction du TiO2. Par la suite, les électrons empruntent le circuit électrique extérieur pour se rendre à la contre-électrode (verre conducteur recouvert de nanoparticules de Pt) où ils vont réduire les espèces I3¯ du médiateur contenu dans la solution.
L’espèce I¯ ainsi produite est essentielle pour la régénération des molécules de colorant qui ont été laissées à l’état oxydé (S+) suite au transfert d’électrons dans la bande de conduction du TiO2 selon l'équation suivante:
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Fonctionnement de la pile sensibilisée par un colorant
La photo-anode (électrode où a lieu l’oxydation d’une espèce réduite en solution sous l’effet de la lumière) de ce type de cellule est constituée d’un semi-conducteur à large bande interdite (n-TiO2) qui a l’avantage d’être peu dispendieux [3]. Cependant, ce matériau permet seulement d’absorber les photons du faisceau lumineux situés dans la région de l’ultraviolet (UV). Comme ces photons ne représentent que 4% du spectre solaire, le TiO2 est recouvert d’une monocouche d’un colorant généralement constitué d’un complexe de ruthénium (S) afin d’augmenter l’absorption dans le domaine du visible.
Sous l’effet de l’illumination par des photons d’énergie hν, les électrons des molécules de colorant sont promus du niveau fondamental (S) vers un niveau excité (S*), avant d’être injectés à une vitesse ultra-rapide (~100 ps) dans la bande de conduction du TiO2. Par la suite, les électrons empruntent le circuit électrique extérieur pour se rendre à la contre-électrode (verre conducteur recouvert de nanoparticules de Pt) où ils vont réduire les espèces I3¯ du médiateur contenu dans la solution.
L’espèce I¯ ainsi produite est essentielle pour la régénération des molécules de colorant qui ont été laissées à l’état oxydé (S+) suite au transfert d’électrons dans la bande de conduction du TiO2 selon l'équation suivante:
Problématique
Des problèmes de stabilité du colorant sous illumination prolongée ainsi que la dégradation des contacts électriques par l’iode très corrosif restent cependant à résoudre. De plus, le milieu électrolytique à base d’iode est très coloré, obligeant l’illumination du dispositif à travers la photo-anode, ce qui affecte le rendement de conversion d’énergie. Enfin, le photovoltage maximal qui peut être atteint est limité à ~0,7 V lorsqu’un médiateur à base d’iode (le seul employé jusqu’à ce jour) est utilisé.
Médiagraphie
[1]. Grätzel, M., Nature, 414, 338 (2001).
[2]. Juan Bisquert, Pile solaire sensibilisée par un colorant. Consultation le 14 juin 2009, URL de cette page : http://www.elp.uji.es/juan_home/research/solar_cells.htm.
[3]. Wang, Q., Z. Zhang, S. M. Zakeeruddin, et M. Grätzel, J. Phys. Chem. C, 112, 7084 (2008).
