De nouvelles informations sur le fonctionnement des cellules solaires
Les DSSC constituent une alternative prometteuse aux cellules solaires à base de silicone traditionnelles, notamment parce qu'elles contiennent des matériaux moins onéreux et requièrent des processus de production relativement simples. Ces cellules sont composées d'une anode d'oxyde de titane (TiO2) photosensible (couverte d'un colorant moléculaire qui absorbe la lumière du soleil), d'un électrolyte liquide et d'une cathode métallique. Comme le courant photo-électrique dépend des nanomatériaux colorants, l'élucidation et le contrôle de leur activité interfaciale sont indispensables pour augmenter l'efficacité de la conversion photo-électrique. Dans le cadre du projet POLYMAP (Mapping and manipulating interfacial charge transfer in polymer nanostructures for photovoltaic applications), financé par l'UE, les scientifiques ont constaté une relation entre l'activité électrochimique ou électrocatalytique des matériaux et les changements dans leur morphologie se produisant aux interfaces de l'électrode dans les DSSC. À l'aide d'une technique de sondage électrochimique haute résolution, la microscopie des cellules par sondage électrochimique (scanning electrochemical cell microscopy, SECCM), les scientifiques ont surmonté les obstacles associés à l'étude des matériaux d'électrode nanostructurés. En éclairant les électrodes et en utilisant les SECCM, ils ont réussi à cartographier à une résolution au sous-micromètre les variations dans l'activité photo-électrochimique des agrégats de TiO2 enduits d'un colorant. La modulation de l'intensité de la lumière a permis à l'équipe d'étudier les processus de perte qui limitent l'efficacité de la conversion. Étant donné leur rôle fondamental dans les mécanismes de transport de charge, les travaux visaient également à préparer et à assurer la caractérisation électrochimique des polymères conjugués d'une épaisseur allant de 5 à 500 nm. Après les avoir analysés au microscope, ils ont observé des variations dans l'activité électrochimique, principalement parce que les films électro-actifs étaient hétérogènes. En combinant également les SECCM avec la microscopie à force atomique et la micro-spectroscopie Raman, l'équipe a découvert une relation entre la structure et la réactivité des films organiques électro-déposés. Les autres matériaux comme les nanotubes de carbone ont augmenté le taux de réaction chimique et ont semblé électro-actifs sur leur longueur. Or, leur morphologie influence leur réactivité. Les scientifiques ont également démontré que des nanotubes de carbone parfaits, sans défaut, sont des électro-catalyseurs aussi efficaces que l'or. Cela comporte d'importantes implications, notamment pour la production de peroxyde d'hydrogène pour utilisation comme carburant. Enfin, les nanoparticules d'oxyde d'iridium ont fait l'objet d'une étude en tant que photocatalyseurs électrolytiques et ont présenté d'importantes variations en matière d'activité électro-catalytique, une fonction du potentiel d'électrode.Les résultats du projet donnent une nouvelle vision des appareils photovoltaïques à l'échelle nanométrique, permettant à terme la conception de DSSC améliorées.
Mots‑clés
Cellules solaires à colorants, efficacité de la conversion, électrochimique, activité électro-catalytique, microscopie des cellules par sondage électrochimique