Capteurs solaires teintés

Les cellules solaires à colorant sont une alternative prometteuse au photovoltaïque à semi-conducteurs conventionnel et sont devenues commercialement viables ces dernières années.

Les cellules sensibles aux colorants compensent leur faible efficacité en produisant une puissance constante même à des températures élevées et à des angles d’incidence de photons élevés, produisant près de 50 % plus de puissance que les cellules solaires en silicium sous faible luminosité. Ils sont considérablement plus faciles à fabriquer et peuvent utiliser des pigments naturels et abondants à base de plantes comme colorants. Cette vidéo illustre le fonctionnement des cellules solaires sensibilisées aux colorants, démontre une procédure élémentaire de création d’échantillons de test en laboratoire à l’aide de pigments végétaux et aborde quelques applications.

Toutes les cellules solaires dépendent de la capacité de la lumière à donner de l’énergie aux électrons pour produire des courants électriques.

Dans les atomes uniques, les électrons sont confinés à des niveaux d’énergie discrets. Cependant, lorsqu’ils absorbent des photons de lumière, les électrons montent temporairement vers des niveaux d’énergie plus élevés, laissant un trou dans le niveau inférieur.

Lorsque deux atomes sont à proximité, ils perturbent les électrons de l’autre. Cela crée de nouveaux niveaux d’énergie que les électrons peuvent occuper. Au fur et à mesure que des atomes supplémentaires sont ajoutés, d’autres niveaux d’énergie se forment, qui finissent par fusionner en bandes d’énergie denses.

Dans les semi-conducteurs, les niveaux d’énergie inoccupés forment une bande de conduction de haute énergie, tandis que les niveaux occupés forment une bande de valence de basse énergie. La différence d’énergie est connue sous le nom d'« énergie de bande interdite ». Si un photon ayant l’énergie de la bande interdite frappe un électron, l’électron sera promu, laissant un trou derrière lui. L’électron et le trou peuvent être conduits d’un atome à l’autre jusqu’à ce qu’ils se recombinent.

Maintenant que nous avons vu comment les semi-conducteurs absorbent l’énergie lumineuse, voyons comment nous pouvons exploiter ce phénomène dans une cellule solaire sensibilisée aux colorants.

Contrairement aux cellules solaires en silicium, les cellules solaires sensibilisées aux colorants séparent le processus d’absorption de la lumière de celui de transmission du courant, afin de réduire le taux de recombinaison.

La cellule contient un colorant sensibilisant, une couche semi-conductrice, un électrolyte et deux électrodes. Le semi-conducteur est un diélectrique stable, tel que l’anatase TiO2. L’électrolyte est généralement un iodure organique, et la contre-électrode un matériau résistant à la corrosion et à la chaleur, souvent du platine ou du carbone.

Le semi-conducteur est mésoporeux et contient une monocouche de colorant adsorbé. Lorsqu’un électron de colorant est excité par un photon, il est immédiatement injecté dans la bande de conduction du semi-conducteur.

Le semi-conducteur transporte l’électron vers la photoélectrode, puis vers le circuit. L’électron revient via la contre-électrode, où l’électrolyte usé est réduit, complétant ainsi le cycle.

Les colorants efficaces réagissent à l’ensemble du spectre visible. Les premiers colorants comprenaient des complexes organiques de ruthénium. Ceux-ci offrent une conversion élevée en infrarouge, mais sont coûteux et difficiles à produire. Les pigments photosensibles d’origine végétale, tels que les caroténoïdes et les anthocyanes, sont plus abondants et pratiques, bien que moins efficaces.

Ce sont les principes. Examinons maintenant une procédure opératoire élémentaire en laboratoire.

La procédure démontrée ici permet de fabriquer et de tester rapidement des cellules solaires à colorant, en utilisant uniquement des précurseurs courants et des matériaux de laboratoire.

Commencez par ajouter 6 g de poudre d’anatase TiO2 dans un mortier. Ajoutez 2 à 3 ml de vinaigre et broyez la suspension pour briser les grumeaux. Ajouter le vinaigre par incréments de 1 ml et broyer jusqu’à ce qu’un total de 9 ml ait été ajouté. La pâte doit finalement être uniforme.

Ensuite, produisez une solution tensioactive en mélangeant doucement une goutte de savon à vaisselle avec 1 ml d’eau distillée. Mélangez délicatement la solution tensioactive dans la pâte, en faisant attention de ne pas produire de bulles. Laissez la suspension s’équilibrer

Nettoyez deux lames de verre conducteur recouvertes de SnO2 à l’aide d’une lingette peu pelucheuse imbibée d’éthanol. Utilisez un multimètre pour trouver leurs côtés conducteurs. Le côté conducteur doit avoir une résistance de 10-30 ?.

Collez les glissières sur le banc, un côté conducteur vers le haut et l’autre côté conducteur vers le bas, de sorte que 5 à 8 mm soient masqués et qu’il n’y ait pas de bulles d’air. À l’aide d’une tige de verre, appliquez une fine ligne uniforme de pâte sur le bord supérieur du côté conducteur. Laissez le film sécher légèrement et retirez le ruban adhésif.

Séchez la lame en la plaçant sur une plaque chauffante, côté conducteur vers le haut. Le film va d’abord s’assombrir jusqu’à devenir brun-violet, puis blanchir. Lorsque cela se produit, éteignez la plaque chauffante en gardant la glissière sur le dessus. Une fois qu’il a refroidi à température ambiante, notez la surface du film.

Pour préparer la contre-électrode, nettoyez une deuxième lame de verre conducteur. Appliquez le catalyseur au carbone sur le côté conducteur. Tenez le côté conducteur avec une pince à épiler au-dessus d’une flamme plus légère. Laissez la suie s’accumuler pendant 30 secondes maximum. Réorientez la diapositive avec la pince à épiler et couvrez le coin restant de suie de la même manière, assurez-vous que toute la diapositive est couverte.

Maintenant que les électrodes ont été préparées, construisons la cellule solaire sensibilisée à un colorant.

À l’aide d’une spatule, écrasez quelques framboises, mûres ou cerises dans un bécher. Filtrez ensuite la solution dans une boîte de Pétri à l’aide d’un filtre à café, en ajoutant quelques gouttes d’eau distillée si nécessaire.

À l’aide d’une pince à épiler, placez la photoélectrode dans la boîte de Pétri, côté conducteur vers le bas, en prenant soin de ne pas rayer le film. Une fois la coloration terminée, retirez soigneusement la lame et vérifiez qu’aucune tache blanche n’est visible. Rincez la lame à l’éthanol et séchez-la par éponge.

Placez la contre-électrode face vers le bas sur le film, en maintenant un décalage entre les lames. Fixez les pinces de reliure sur les bords des diapositives. Placez quelques gouttes d’électrolyte le long du bord et laissez-le s’infiltrer sur le film en ouvrant légèrement les pinces à liant. La cellule est maintenant prête à fonctionner.

Préparez-vous à mesurer les performances de la cellule sous une lampe halogène. Orientez la cellule de manière à ce que la photoélectrode fasse face à la lampe halogène. Utilisez un multimètre pour mesurer le potentiel de circuit ouvert et le courant de court-circuit.

Ensuite, connectez la cellule à un 500 ?? potentiomètre pour créer le circuit indiqué dans le protocole texte. Augmentez séquentiellement la résistance à l’aide du potentiomètre et utilisez le multimètre pour mesurer la tension et le courant.

Les données collectées sont utilisées pour créer une courbe courant-tension, qui décrit la conversion de l’énergie solaire de la cellule solaire et son efficacité solaire.

Le point où la courbe coupe l’axe des x est appelé tension en circuit ouvert, qui est la tension maximale à courant zéro. Le point du courant maximal à 0 V apparaît sur le graphique où la courbe coupe l’axe des y.

Le point de puissance maximale (MPP) se produit au « genou » de la courbe et fournit les conditions de tension et de courant pour un fonctionnement idéal de la cellule solaire. Le MPP des courbes courant-tension permet de comparer les performances de différentes cellules solaires. La tension en circuit ouvert mesurée dans cette expérience peut atteindre des valeurs de 0,5 volts et un potentiel de court-circuit de 1-2 mA/cm2 .

Les cellules solaires sensibles aux colorants sont précieuses dans des applications de niche, et l’approche de cette vidéo permet un prototypage rapide de cellules avec de nouveaux colorants.

Étant donné que les cellules solaires sensibilisées aux colorants produisent une puissance élevée sous une faible lumière, elles sont utiles pour la « récolte de lumière », la réutilisation de la lumière intérieure pour alimenter des capteurs, des étiquettes d’identification, des transmetteurs de données, etc. Une façon d’y parvenir est de développer des colorants qui introduisent des niveaux d’énergie dans la bande interdite, à partir desquels les électrons peuvent se convertir en bande de conduction. Empiriquement, cela a doublé la conversion photon-électron dans les longueurs d’onde proche infrarouge en remplaçant une seule absorption de haute énergie par deux absorptions de plus faible énergie.

Les cellules sensibles aux colorants sont utilisées pour la production de fenêtres photovoltaïques, où des microsphères de verre creuses en TiO2 sont ajoutées aux électrodes pour minimiser la pollution et maintenir le rendement. Pour cela, des techniques de fabrication abordables, telles que l’électrofilage, peuvent être utilisées, où une boue de TiO2 est lentement injectée dans un champ électrique pour produire des nanofibres pour des électrodes haute performance. Une autre technique de fabrication est l’impression à jet d’encre. Cela a été utilisé pour déposer des électrodes sur des substrats de verre, produisant des cellules avec des rendements de 3,5 %.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE aux cellules solaires sensibilisées aux colorants. Vous devriez maintenant être familiarisé avec le fonctionnement des cellules sensibilisées aux colorants, une procédure pour les générer à peu de frais en laboratoire et certaines applications. Comme toujours, merci d’avoir regardé !