Les cellules solaires organiques pourraient transformer le stockage des énergies renouvelables
Malgré le potentiel que présentent toutes les technologies solaires pour réduire les émissions de carbone, le stockage de l’énergie produite reste l’un des les plus grands obstacles à l’adoption des sources énergétiques renouvelables. Mais quelques premières idées dûment étayées sur la possibilité de stocker l’énergie du soleil dans les liaisons chimiques des molécules, à l’instar de l’hydrogène moléculaire, commencent à prendre forme. Il est possible de stocker l’hydrogène grâce à des dispositifs appelés électrolyseurs. En utilisant de l’électricité, produite idéalement à partir de l’énergie solaire, les électrolyseurs séparent les molécules d’eau en oxygène et en hydrogène, un carburant qui ne produit pas d’émissions de carbone. Ensuite, un deuxième ensemble de dispositifs, appelés piles à combustible, reconvertit cet hydrogène en électricité pour alimenter les véhicules ou le réseau électrique.
La photosynthèse artificielle mise en pratique
Grâce à un financement de l’UE, via une subvention du Conseil européen de la recherche (CER), les chercheurs du projet TripleSolar ont fait la démonstration d’un dispositif multi-jonctions réaliste, composé de trois cellules solaires individuelles cultivées les unes sur les autres, qui fait enfin sortir le processus de dissociation solaire de l’eau du laboratoire pour le mettre en pratique. Pour la première fois, l’équipe du projet a fait la démonstration d’une feuille artificielle constituée de matériaux organiques, capable de convertir la lumière du soleil en hydrogène avec une efficacité de près de 5,5 %. À l’exception de l’efficacité record de la dissociation de l’eau, cette feuille artificielle se distingue des autres tentatives de production d’hydrogène à partir de la lumière du soleil par le fait qu’elle utilise des matériaux peu coûteux et facilement disponibles. «Notre nouvelle feuille artificielle organique est un tremplin pour développer des solutions énergétiques plus réalistes et plus durables pour les générations à venir. La conversion de la lumière du soleil en charges électriques et le stockage immédiat de l’énergie aideront à résoudre à l’avenir le problème de l’approvisionnement instable dû aux intermittences des énergies renouvelables», note le bénéficiaire de la subvention du CER et chercheur principal René Janssen. Par ailleurs, outre ces cellules solaires à triples jonctions, TripleSolar a fait la démonstration de la première cellule solaire organique à quadruples jonctions composée de quatre matériaux semi-conducteurs organiques. Les rendements de conversion énergétique des cellules solaires organiques ont dépassé respectivement 10 % et 7,5 %.
Acquérir de nouvelles connaissances sur le mécanisme de la photoconversion
Les cellules solaires organiques sont l’une des technologies de conversion d’énergie les plus prometteuses. Grâce à l’abondance des matières premières, aux faibles coûts de leur production, à la légèreté et à la souplesse de leur fabrication à grande échelle, elles pourraient devenir une source d’énergie renouvelable viable remplaçant les cellules solaires conventionnelles contenant des substrats en silicium. Les cellules solaires organiques actuelles peuvent atteindre des rendements supérieurs à 15 %. Les architectures de cellules solaires à jonctions multiples peuvent encore augmenter ce rendement, en dépassant les 20 %. Atteindre ces taux de rendement élevés est un défi énorme qui nécessite de pousser chaque étape du processus de conversion jusqu’à ses limites intrinsèques afin de réduire considérablement les pertes en énergie. TripleSolar a étudié et conçu de nouvelles molécules organiques et de nouveaux polymères fonctionnels destinés aux dispositifs de cellules solaires à jonctions multiples. «Nos recherches ont mis l’accent sur l’élucidation des détails mécaniques du processus de photoconversion (tels que l’exciton et le transport de charge). Ces nouvelles connaissances ont permis de concevoir des matériaux qui convertissent la lumière du soleil en électricité et stockent plus efficacement l’énergie produite dans des molécules telles que l’hydrogène», explique René Janssen. Contrairement aux cellules solaires à jonction unique, les cellules solaires à jonctions multiples génèrent un potentiel chimique élevé qui permet la dissociation de l’eau en hydrogène et en oxygène. En étudiant les mécanismes qui contrôlent la structure 3D à l’échelle nanométrique et les propriétés électroniques des couches absorbantes, les chercheurs du projet ont démontré l’efficacité des dispositifs de conversion de l’énergie solaire en électricité, de l’énergie solaire en hydrogène et de l’énergie solaire en monoxyde de carbone. «Les rendements obtenus avec nos cellules solaires organiques à jonctions multiples sont encore inférieurs à ceux de leurs homologues inorganiques, qui sont de l’ordre de 20 %. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour améliorer la technologie des cellules solaires organiques en termes d’efficacité, de stabilité et de coût, afin de pouvoir, in fine, la déployer à grande échelle», conclut René Janssen.
Mots‑clés
TripleSolar, hydrogène, cellule solaire organique, énergie renouvelable, multi-jonctions, feuille artificielle, stockage de l’énergie
