Chapitre II
Les cellules sensibilisées par
colorant ou cellules de
Graetzel
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2-1 Introduction :
Historiquement, la sensibilisation par colorant date du
19ème siècle lorsque la photographie a
été inventée. Les travaux de Vogel à Berlin
après 1873 peuvent être considérés comme les
premières études importantes dans le domaine de la
sensibilisation par colorant de semi-conducteurs, ou des émulsions
d'halogénure d'argent ont été sensibilisées pour
produire des films photographiques en noir et blanc. Toutefois, l'utilisation
de cette technique dans le photovoltaïque est restée plutôt
infructueuse, jusqu?à une percée au début des
années 1991 où le professeur Graetzel et ses collègues ont
réussis par la recombinaison d'électrodes nanostructurées
et de l'injection efficace de charges par un colorant d?élaborer une
cellule solaire de rendement supérieure à 7% en 1991 et 10% en
1993.
Cette cellule solaire est appelée cellule solaire
sensibilisée par un colorant (DyeSensilized-Solar-Cell) ou cellule de
Graetzel(en référence à son inventeur le professeur
Michel-Graetzel).
Actuellement, plusieurs groupes de recherche dans le monde entier
fournissent l?effort pour améliorer les propriétés de la
cellule de Graetzel et sa durabilité.
Dans ce chapitre, la technologie des DSSC est introduite
à partir d'une brève description du principe de fonctionnement de
ces cellules. Après cela, on verra un aperçu plus
détaillé sur l'exploitation de la lumière par les DSSC en
étudiant les étapes clés de la conversion
photovoltaïque.
2-2 Principe de fonctionnement d'une cellule Graetzel :
Comme dans le cas de la photosynthèse naturelle,
l'absorption d'énergie solaire met en route une pompe à
électrons mue par l'énergie lumineuse absorbée, dont le
principe est illustré dans la figure ci-dessous.
Figure 2.1 : Schéma du Principe de fonctionnement
d?une cellule de Graetzel
Le sensibilisateur (S) est greffé à la surface d'un
oxyde semi-conducteur sous la forme d'une couche mono moléculaire. Il
absorbe les rayons solaires incidents qui le promeuvent dans un état
électroniquement excité S*, d'où il est à
même d'injecter un électron dans la bande de conduction du dioxyde
de titane (TiO2).
Les électrons ainsi injectés traversent la
couche et sont ensuite recueillis par un collecteur de courant qui permet de
les diriger vers un circuit externe où leur passage produit de
l'énergie électrique.
Le retour de l'électron dans la bande de conduction sur
le colorant oxydé S+ est beaucoup plus lent que la
réduction de S+ par le médiateur (D) en solution. De
ce fait la séparation de charge est efficace.
Le médiateur oxydé (D+) est
réduit à la contre-électrode.
La tension maximale débitée correspond à
la différence entre le potentiel d'oxydoréduction du
médiateur et le niveau de Fermi du semi-conducteur. La charge positive
est transférée du colorant (S+) à un
médiateur (iodure) présent dans la solution qui baigne dans la
cellule. Ce médiateur, alors oxydé en tri-iodure, diffuse
à travers la solution. Ainsi, le cycle des réactions redox est
bouclé par transformation de l'énergie solaire absorbée en
un courant électrique, sans changement de la composition de quelque
partie du système que ce soit [6].
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Le cycle de fonctionnement peut être résumé
dans la terminologie de réactions chimiques suivantes :
Anode:
S + h ? S* Absorption.
S*? S+ + e- (TiO2) Injection
d'électrons.
2S+ + 3I- ? 2S + I3 -
Régénération.
Cathode:
I3 - +2e- (Pt) ? 3I-
Cellule :
e- (Pt) + h ? e- (TiO2?
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