Les cellules solaires deviennent rapidement l’un des principaux moyens de produire de l’électricité propre dans de nombreux pays du monde. Au cours des dernières décennies, des efforts considérables ont été consacrés à la mise en valeur de l’énergie solaire. Cependant, cette technologie est actuellement confrontée à plusieurs défis qui limitent son application à grande échelle.
Dans le cas des cellules solaires à colorant (DSSC) – une technologie photovoltaïque très prometteuse – l’un des principaux problèmes est l’agrégation des colorants. De par leur conception, les cellules solaires à colorant sont des systèmes électrochimiques qui imitent la photosynthèse des plantes ; elles reposent sur des colorants photosensibles spéciaux pour convertir la lumière du soleil en électricité. Idéalement, le colorant doit être appliqué uniformément sur la surface d’une électrode d’oxyde derrière une couche transparente afin que l’énergie de la lumière solaire absorbée puisse être transférée facilement aux électrons du colorant. Ce processus génère des électrons libres qui alimentent un circuit externe.
Cependant, la plupart des colorants ont tendance à s’agréger à la surface de l’électrode, ce qui entrave le flux souhaité de lumière et de charges électriques. Les performances des DSSC s’en ressentent et il est difficile de les surmonter.
Heureusement, une équipe de scientifiques dirigée par le professeur associé Tomohiko Inomata de l’Institut de technologie de Nagoya, au Japon, vient peut-être de trouver une solution à ce problème. Dans leur récente étude publiée dans RSC Advances, ils ont montré que certains liquides ioniques (des sels fondus qui sont à l’état liquide à des températures relativement basses) peuvent supprimer l’agrégation des colorants à un degré impressionnant.**
Mais comment les liquides ioniques parviennent-ils à cet exploit ? Pour faire la lumière sur le mécanisme exact en jeu, les chercheurs se sont concentrés sur deux liquides ioniques de tailles moléculaires très différentes et sur deux types de colorants. Les deux liquides ioniques avaient une structure moléculaire similaire comprenant une ancre qui se lie bien à l’électrode (dioxyde de titane, TiO2), une chaîne polymère principale reliant cette ancre à un atome de phosphore, et trois autres chaînes polymères courtes dépassant de l’atome de phosphore et s’éloignant de la chaîne principale « verticale« .
Les chercheurs ont immergé les électrodes de TiO2 dans des solutions présentant différentes proportions de colorant par rapport au liquide ionique et ont soigneusement analysé la manière dont les différentes molécules y adhéraient. Après avoir optimisé la procédure de synthèse, ils ont constaté que les DSSC fabriqués à l’aide du liquide ionique à la structure moléculaire plus longue présentaient des performances remarquablement meilleures que leurs homologues aux électrodes d’oxyde non modifiées.
« La structure moléculaire volumineuse dans l’espace des liquides ioniques agit comme un agent anti-agrégation efficace sans avoir un impact significatif sur la quantité de colorant adsorbé dans l’électrode« , explique le Dr Inomata. « Plus important encore, l’introduction d’un liquide ionique plus volumineux améliore tous les paramètres photovoltaïques des DSSC. »
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Il va sans dire que l’amélioration de la technologie des cellules solaires pourrait nous donner un avantage dans la lutte contre la crise énergétique et climatique actuelle. Bien que les liquides ioniques soient généralement coûteux, la façon dont l’équipe l’utilise est, en fait, rentable. « Pour faire simple, l’idée est d’appliquer les liquides ioniques uniquement à la partie requise du dispositif – dans ce cas, la surface de l’électrode« , explique le Dr Inomata.
L’équipe pense que l’utilisation généralisée d’électrodes modifiées avec des liquides ioniques pourrait ouvrir la voie à des matériaux hautement fonctionnels mais abordables pour les cellules solaires et les systèmes catalytiques. Étant donné que la structure des liquides ioniques peut être modifiée au cours de leur synthèse, ils offrent une polyvalence indispensable en tant qu’agents antiagrégants.
Espérons que ces découvertes conduiront à un avenir plus radieux pour les DSSC et, à terme, pour la planète.
**Parmi les autres membres de cette équipe de recherche figurent Mme Ayaka Matsunaga et le professeur Tomohiro Ozawa de l’Institut de technologie de Nagoya, ainsi que le professeur Hideki Masuda de l’Institut de technologie d’Aichi, au Japon.
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