Toute la lumière sur ... l'effet photovoltaïque
De l'énergie lumineuse à l'énergie électrique


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Comment convertir de l'énergie lumineuse en énergie électrique ? Des chercheurs du Groupe des matériaux organiques de l'Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg1 ont mis au point une molécule hybride qui sert à produire ce phénomène, appelé effet photovoltaïque.

L'effet photovoltaïque implique la production et le transport de charges négatives (électrons) et positives (trous) sous l'effet de la lumière dans un matériau semi-conducteur. Récemment, un nouveau concept fondé sur l'utilisation d'un film mince du mélange d'un polymère conjugué2 et de buckminsterfullerène (molécule en forme de ballon de football constituée de 60 atomes de carbone, C60) a permis d'améliorer de façon significative les performances des dispositifs photo-voltaïques plastiques utilisant des composés organiques.

Toutefois, de nombreux obstacles restent à franchir avant d'éventuelles applications. Les performances du dispositif dépendent en effet de la morphologie du film mince placé entre les deux électrodes. Du fait de l'incompatibilité des deux constituants du mélange, une séparation de phase incontrôlable se produit. La séparation de charge photoinduite à l'origine du photo-courant ne pouvant se faire qu'à l'interface C60/polymère (zone de contact entre les deux constituants) n'est pas optimale.

Des chercheurs du Groupe des matériaux organiques de l'Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg ont essayé d'éliminer tous les problèmes inhérents à cette séparation de phase. Ils ont synthétisé3 une molécule hybride à base de dérivés substitués du C60 utilisés pour la préparation de cellules photovoltaïques (voir figure). Cette approche moléculaire pour la conversion de l'énergie solaire en énergie électrique est originale. Néanmoins, même si l'efficacité des dispositifs photovoltaïques obtenus est du même ordre de grandeur que celle des systèmes utilisant des mélanges traditionnels (polymères/C60), elle reste encore faible.

L'étude photophysique4 a montré que le transfert d'électron à l'origine du photocourant est en compétition avec un transfert d'énergie ne conduisant pas à la formation de charges au sein du film mince ; le second phénomène étant prédominant. Dans les dispositifs photovoltaïques, seule une faible partie de la lumière absorbée conduit effectivement à l'espèce à charges séparées. De ce fait, les performances du dispositif sont limitées car une grande partie de la lumière absorbée est en quelque sorte perdue en raison du transfert d'énergie.

 
En haut, un film mince (100 à 140 nm) de la molécule C60-OPV (oligophénylène-vinylène, en vert) est pris en sandwich entre une couche d'aluminium (pôle négatif, en rouge) et une lame d'ITO (électrode transparente, pôle positif, en bleu).
Le composé hybride génère des électrons et des trous sous l'effet de la lumière et fournit des chemins permettant leur transport aux deux électrodes opposées. Un photocourant est observé lorsqu'un transfert d'électron photoinduit, permettant d'obtenir l'espèce à charges séparées, se produit.


Les chercheurs strasbourgeois projettent de synthétiser de nouveaux dérivés mieux adaptés pour optimiser les performances des cellules photovoltaïques. Pour ce faire, il faut à la fois favoriser la formation de charges au sein du film mince du dispositif photovoltaïque et augmenter la quantité de lumière absorbée. L'un des grands avantages de cette nouvelle approche est la possibilité d'établir une relation entre la structure du composé hybride et son activité. Il sera ensuite facile de faire varier la structure de la molécule pour en moduler ses propriétés électroniques afin de favoriser la production du photocourant.

Pour en savoir plus :

  • J.-F. Eckert, J.-F. Nicoud, J.-F. Nierengarten, S.-G. Liu, L. Echegoyen, N. Armaroli, F. Barigelletti, L. Ouali, V. Krasnikov and G. Hadziioannou. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 7467.
  • J.-F. Nierengarten, J.-F. Eckert, J.-F. Nicoud, L. Ouali, V. Krasnikov and G. Hadziioannou. J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1999, 617.
  • M. Freemantle. Chem. & Eng. News, April 12, 1999, p. 13.
  • G. Yu, J. Gao, J. C. Hummelen, F. Wudl and A. J. Heeger. Science. 1995, 270, 1789.

    1 CNRS-Université Strasbourg 1.

    2 Molécules dont la structurese répète régulièrement en de longues chaînes et comportant alternativement des liaisons simples et doubles entre ses atomes de carbone.

    3 Dans le cadre d'une collaboration avec l'équipe de Georges Hadziioannou, Université de Groningen, Pays-Bas.

    4 Réalisée en collaboration avec Nicola Armaroli (Consiglio Nazionale delle Ricerche, Bologna, Italie).

    LES POLYMÈRES CONJUGUÉS CONDUCTEURS - L'EFFET PHOTOVOLTAÏQUE
     
    La découverte des polymères conjugués conducteurs a valu cette année l'attribution du prix Nobel de Chimie à Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid et Hideki Shirakawa. Ces plastiques conducteurs offrent de nouvelles perspectives dans le domaine de l'électronique : par exemple, la conception d'afficheurs de téléphones portables ou la préparation de dispositifs électroluminescents (capables de transformer l'énergie électrique en énergie lumineuse).
    L'opération qui consiste à produire de l'énergie électrique à partir d'énergie lumineuse (effet photovoltaïque) en utilisant des polymères conjugués conducteurs, fait également l'objet de nombreux travaux de recherche. Le coût de production de ces polymères est faible, leur mise en forme est relativement aisée et l'énergie solaire apparaît comme une source inépuisable. Les enjeux économiques de dispositifs photovoltaïques plastiques sont évidents. Si leur efficacité pour la conversion de l'énergie lumineuse en énergie électrique reste insuffisante, ces dispositifs sont toutefois une bonne source d'énergie pour des appareils électriques en consommant peu (par exemple les calculatrices ou les jouets).
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