Approche Systémique de cellules Solaires à COLorant à base de ZnO – ASYSCOL

Le but du projet consiste à montrer que les cellules solaires à colorant constituent une solution très prometteuse et réaliste, et ce pour de nombreuses applications (aussi bien nomades que dans le domaine du bâtiment). En effet, concevoir et fabriquer des cellules à bas coût, à faible budget thermique, sur des substrats rigides ou souples, présentant éventuellement une semi-transparence (certes au détriment du rendement) tout en visant un rendement de 7 % avec un électrolyte liquide et 5% avec un électrolyte solide ouvrirait de nombreuses perspectives scientifiques, environnementales et économiques. Pour ce faire, et aussi afin de traiter le problème majeur de la durée de vie des cellules à colorant, la seule issue réside en une étude systémique basée sur une synergie forte entre des laboratoires qui, associés, représentent en grande partie l’état de l’art en France. Une cellule à colorant est constituée de plusieurs composants qui sont tous fondamentaux : l’électrode transparente et conductrice, le semi-conducteur nanostructuré à large bande interdite (généralement TiO2 ou ZnO), le colorant, l’électrolyte liquide ou le matériau transporteur d’ions ou de trous (nécessaire pour régénérer le colorant). L’efficacité de la cellule à colorant correspond à l’association en série de l’efficacité de chacun de ces composants. Ainsi, travailler sur un paramètre seul permet difficilement l’optimisation du rendement d’une telle cellule. Travailler sur l’ensemble des composants est très souvent hors de la portée d’un seul laboratoire. D’où le besoin d’unir des laboratoires et de faire vivre une synergie forte. L’idée du projet ASYSCOL est de travailler en parallèle sur les points limitants d’une cellule à colorant avec des approches originales. Tout d’abord, le semi-conducteur choisi sera essentiellement l’oxyde de zinc nanostructuré, préparé de façon à offrir une grande surface spécifique, des chemins de conduction continus jusqu’à l’anode et une structure ouverte (permettant la pénétration du conducteur de trous ou d'ions dans le réseau). Une cellule à colorant uniquement basée sur des nanoparticules conduit certes à une surface spécifique élevée mais reste peu adaptée vis-à-vis des autres points. Une idée originale et prometteuse consiste à exploiter les différentes possibilités de croissance de ZnO nanostructuré : faire croître des nanofils ramifiés, déposer ZnO sous forme nano-poreuse ou encore élaborer un matériau composite à base de nanofils et de nanoparticules de ZnO. Sur ce dernier point, les premiers travaux publiés très récemment dans la littérature, sont particulièrement encourageants. Une telle approche nécessite une étude fine et poussée de l’élaboration des matériaux et de leur caractérisation physique et structurale. Mais l’interaction avec les autres composants (électrode, colorant et électrolyte) sera aussi étudiée avec grand intérêt. Le choix du colorant et de l’électrolyte seront aussi très importants. De nouveaux colorants seront élaborés de façon à présenter des coefficients d’absorption molaire élevés et une efficacité élevée pour l'injection des électrons dans le semi-conducteur. S’affranchir de l’électrolyte liquide, qui est le défi technologique essentiel des cellules à colorant, constitue un des objectifs principaux du projet ASYSCOL. Plusieurs voies de recherche seront menées en parallèle, notamment l’étude des polymères secs ou gélifiés ainsi que l’utilisation de conducteurs électroniques greffés sur le sensibilisateur. Des struc