Révolution dans le solaire : un Grätzel transparent !

Dans les années 80, l’énergie solaire n’intéressait presque personne. « Dans les conférences, j’étais l’hurluberlu de service », raconte Benoît Marsan, professeur au Département de chimie de l’Université du Québec à Montréal (UQAM).

Trente ans plus tard, tout a changé. Les énergies propres ont maintenant la cote. Or, le chimiste de l’UQAM vient de contribuer à la conception d’une pile solaire capable de conquérir la planète, rien de moins.

Sa découverte vient d’être publiée dans la prestigieuse revue Nature Chemistry, réservée aux percées mondiales dans le domaine de la chimie.

La plupart des piles solaires utilisées sont faites à base de silicium, un matériau semi-conducteur cher et peu disponible. « Le coût de production de ces piles est d’environ six dollars du watt produit", estime le chercheur. "Pour concurrencer le charbon et le nucléaire, il faudrait que leur prix soit inférieur à deux dollars du watt.»

Depuis trente ans, Benoît Marsan et quelques autres tentent donc de trouver un matériau moins cher que le silicium, pour que les piles solaires deviennent enfin abordables. Coup de théâtre : au début des années 90, un scientifique suisse, Michael Grätzel, annonce qu’il a mis au point un tout nouveau type de piles sensibilisées par un colorant.

Ce type de piles est composé de deux électrodes (l’anode et la cathode) placées en sandwich autour d’un liquide conducteur (l’électrolyte). Les rayons du Soleil traversent la cathode, qui est généralement transparente, puis l’électrolyte, pour ensuite arracher des électrons à l’anode, un semi-conducteur situé au fond de la pile. Ces électrons voyagent dans un fil, de l’anode à la cathode, ce qui crée un courant électrique. C’est ainsi que l’énergie du Soleil est convertie en électricité.

L’intérêt des piles sensibilisées par un colorant, c’est qu’elles utilisent des matériaux faciles à synthétiser en laboratoire. Elles sont aussi flexibles, ce qui permet de les intégrer sur toutes sortes d’objets et de matériaux. Sur papier, la pile Grätzel est une vraie merveille.

Mais, en pratique, il en va tout autrement. Benoît Marsan explique : « Le problème principal, c’est que l’électrolyte est très corrosif et attaque les connexions électroniques de la pile. » Autre point faible : l’électrolyte est très coloré, ce qui empêche une partie des rayons solaires de passer. Le rendement de la pile s’en donc trouve réduit. Finalement, la cathode est couverte de platine, un matériau cher, non-transparent et rare. Bref, la pile Grätzel n’est pas commercialisable.

Cependant la fameuse pile suisse a le mérite d’avoir fouetté les ardeurs de milliers de chercheurs qui ont tenté d’en optimiser le principe. Or, malgré tous les efforts, personne n’y était encore parvenu. Personne avant Benoît Marsan et son équipe!

Le chimiste de l’UQAM a carrément réinventé la pile Grätzel en modifiant deux de ses composantes de base : la cathode et l’électrolyte. Son équipe a d’abord remplacé, le platine de la cathode, par du sulfure de cobalt (CoS), qui est meilleur marché, plus performant, plus stable et facile à produire en laboratoire.

Pour l’électrolyte, l’équipe a créé en laboratoire de toutes nouvelles molécules. De plus, grâce à l’apport du professeur Livain Breau, du Département de chimie, leur concentration a pu être accrue. Le liquide ou gel qui en résulte est transparent; il laisse passer la lumière et améliore ainsi le rendement de la pile. Mais, point majeur : il n’est pas corrosif, ce qui rend la pile stable et commercialement viable.

« Derrière chaque composante, il y a des milliers d’heures de travail », précise le chercheur. Totalement innovatrices, les deux composantes de la pile sont brevetées – au Canada et aux États-Unis – ou sont en instance de brevets – en Europe, en Chine et au Japon.

Pour que ces piles solaires bon marché et viables arrivent sur le marché au plus vite, les chimistes de l’UQAM – dont la spécialité, rappelons-le, est de créer des matériaux – se sont alliés aux meilleurs fabricants de piles sensibilisées par un colorant au monde: l’équipe de Michael Grätzel.

Cette collaboration a donné naissance à deux nouvelles piles. Dans la première, seule la cathode a été remplacée, et le Journal of the American Chemical Society en a fait état en 2009. Dans la deuxième, c’est l’électrolyte transparent qui est utilisé plutôt que le coloré – et c’est la découverte qui vient d’être publiée dans Nature Chemistry, la revue la plus cotée au monde en chimie. « Les commentaires des évaluateurs sont unanimes. Cette pile performante, ni colorée, ni corrosive, est une première! Nous avons réglé d’un coup deux problèmes de taille de la pile suisse ! »

Benoît Marsan a hâte de mesurer les performances d’une prochaine pile qui combinerait cette fois la nouvelle cathode et le nouvel électrolyte. Il croit pouvoir ainsi dépasser largement le taux d’efficacité actuel des piles de ce type et atteindre un coût de production de l’ordre d’un dollar du watt, ce qui ferait du solaire une énergie meilleure marché que le charbon ou le nucléaire. Toute une révolution!

Si les pouvoirs politiques et les investisseurs s’y intéressent, on verra peut-être bientôt des piles solaires signées Marsan et Grätzel un peu partout : sur les calculatrices, les ordinateurs portables, les vêtements, les fenêtres, les matériaux de construction, ou les voitures comme énergie d’appoint.