Cellules solaires à colorants photosensibles

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Les cellules Graetzel sont des systèmes photoélectrochimiques qui imitent le processus de photosynthèse végétale ! Exposées à la lumière, elles produisent de l'électricité. Ces cellules présentent un taux de rendement assez faible, mais elles présentent un avantage considérable : malgré le faible éclairage (voir un éclairage indirect), elles produisent de l'électricité.

La cellule se compose de 2 électrodes transparentes (lames de verre conducteur). On dépose sur une lame de verre, l'anode,un semi-conducteur mésoporeux constitué de nanoparticules (entre 10 et 30 nm de diamètre). Il s'agit du dioxyde de titane (TiO2). On dépose ensuite une monocouche de colorants. La cathode est en contact avec le couple redox Iodure/Triiodure (I3−/I−) qui baigne tout le système et permet de compléter le circuit électrique.

• Les électrodes sont des lames de verre. Leur particularité est qu'elles possèdent une fine couche d'oxyde conducteur. Les électrons peuvent ainsi se déplacer le long de lame de verre. La lame de verre doit être assez transparente pour laisser ainsi passer un maximum d'intensité lumineuse et doit être résistante à de haute températures (5OO°C).
• L'électrolyte (le couple redox est le I ̄/Iɜ ̄). I ̄ est le réducteur (celui qui cède les électrons) du couple et Iɜ ̄ l'oxydant (celui qui reçoit les électrons)
• Le TiO2 est un semi-conducteur qui se trouve sous 3 formes cristallines dont l'anastase, le rutile et le brookite. Ici on l'utilise sous la forme de l'Anastase ! L'anastase correspond à un “arrangement tridimensionnelle d'octaèdres”. Elle possède une densité de 3.84 g/cm3.
• Le colorant provient de la framboise qui contient des anthocyanines, colorants très sensibles à la lumière.

Le phénomène de photosynthèse et celui qu'on retrouve dans ces cellules est sensiblement le même. Un colorant absorbe la lumière et produit des électrons excités.

Ce qu'il se passe dans la cellule de Graetzel se base sur un fonctionnement cyclique :

1. La cellule Graetzel est exposée à la lumière. Un photo incident (hν) vient exciter le colorant. Le colorant joue le rôle de sensibilisateur (S). On notera le colorant excité S°. Le colorant excité expulse donc un électron, il devient S+. En effet le colorant est légèrement positif étant donné qu'il a perdu un électron.
2. L'électron expulsé est amené par l'intermédiaire du semi-conducteur vers l'anode, puis par un canaux à électrons vers la cathode. Le canaux de passage s'établit à travers le contact entre les deux électrodes
3. A la cathode, l'électron rentre en contact avec l'oxydant Iɜ ̄ de l'électrolyte. Par le processus d'oxydoréduction, le réducteur I ̄ est formé.
4. I ̄ va ensuite fournir l'électron manquant à S+.

Ainsi de suite, on parle donc d'un cycle régénératif : rien ne se perd !

De manière simplifiée :

Le protocole a été écrit par nos soins en s'aidant des différents articles que vous pouvez retrouver en bas de page.

Nous souhaitons remercier Mme Delphine Humilière (Responsable de la formation/chimie) pour nous avoir accompagné et aidé à mettre en place cette manipulation et Mr Ziyad Bouaoud, pour son aide et ses conseils durant toute la manipulation

La manipulation a eu lieu dans la matinée du vendredi 2 mars 2018 en salle 317, tour54/54

Nous avons pu suivre le protocole à la lettre hormis sur quelques points :

• Étape 1 : Comme nous l'a prescrit Mme Humilière, nous avons préparé 50 mL de solution iodurée, au cas où. Pour ce faire, nous avons multiplié par 5 toutes les concentrations.
• Étape 2 : Nous n'avons pas utilisé de détergent.
• Étape 7 : Nous nous sommes rendu compte que un crayon en carbone n'était pas efficace pour déposer une couche de carbone sur la lame de verre. Nous avons utilisé une bougie à alcool pour le faire. Mais le résultat n'était pas celui escompté. En effet, normalement, la lame de verre devait avoir un dépôt de carbone sur la face concernée, mais elle n'était pas très visible.

Retrouvez une synthèse des tests auxquels a été soumise la cellule à colorants , ICI

• Johsen et Stephanie Chasteen, Make your own blackberry juice solar cell, 2006, Lien, consulté le 02/02/18

• Cellule Gratzel, Lien, consulté le 02/02/18

• Université Nice Sophia - Antipolis, Cellule photovoltaïque de Graetzel : Quels sont les facteurs majeurs influant sur le rendement ?, 2013, Lien, consulté le

16/02/17

• Greg Smestad, Demonstrating Electron transfer and Nanotechnology, Juin 1998, Lien, consulté le 16/02/17

• Ekopédia, Cellules Graetzel, modifié le 29/07/10, Lien

• Wikipédia, Réaction d'oxydoréduction, modifié le 13/12/17, Lien, consulté le 16/02/17