Les bâtiments du futur pourraient être équipés de fenêtres pouvant générer leur propre électricité, grâce au constat d'une équipe dirigée par Jacqui Cole, un scientifique des matériaux de l'Université de Cambridge, ROYAUME-UNI, actuellement basé au Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE).

Pour la première fois, Cole et ses collègues ont déterminé la structure moléculaire des électrodes de cellules solaires fonctionnelles dans un dispositif entièrement assemblé qui fonctionne comme une fenêtre. La découverte, Publié dans Nanoéchelle , aide à faire progresser la technologie des fenêtres intelligentes qui pourrait permettre aux villes de se rapprocher de l'objectif d'être durable sur le plan énergétique.

Les expériences ont été réalisées sur des cellules solaires à colorant, qui sont transparents et donc bien adaptés pour une utilisation dans le verre. Les tentatives de création de technologies de fenêtres intelligentes ont été limitées par les nombreux mécanismes moléculaires inconnus entre les électrodes et l'électrolyte qui se combinent pour déterminer le fonctionnement de l'appareil.

"La plupart des études précédentes ont modélisé la fonction moléculaire de ces électrodes de travail sans tenir compte des ingrédients de l'électrolyte, " a déclaré Cole. "Nos travaux montrent que ces ingrédients chimiques peuvent clairement influencer les performances des cellules solaires, nous pouvons donc maintenant utiliser ces connaissances pour régler les ions afin d'augmenter l'efficacité photovoltaïque."

Pour faire la découverte, Cole, membre du Design Fellow de la Commission royale de 1851 en 2014, et ses collègues ont utilisé la réflectométrie neutronique pour sonder la fonction et l'interaction des ingrédients électrolytiques avec les électrodes des cellules solaires à colorant. Réflectométrie neutronique, similaire aux techniques de réflectométrie aux rayons X, permet aux scientifiques de mesurer la structure de couches minces à haute résolution. Mais c'est le fait que les tests ont été effectués dans un système semblable à une fenêtre qui a permis une découverte importante.

"Les recherches antérieures ont considéré les électrodes de travail à l'extérieur de l'appareil, il n'y a donc pas eu de chemin pour déterminer comment les différents composants de l'appareil interagissent, " a déclaré Cole. "Notre travail représente un énorme bond en avant car il s'agit du premier exemple au monde d'application de la réflectométrie neutronique in situ aux cellules solaires à colorant."

Les efforts antérieurs pour caractériser l'interface colorant/dioxyde de titane dans ces cellules solaires se sont limités à déterminer cette structure interfaciale dans un environnement exposé à l'air ou dans un milieu solvant. En raison de ces contraintes, ces environnements de cellules solaires sont essentiellement artificiels avec une pertinence limitée pour les applications de fenêtres.

Avec cette découverte, cependant, Cole et ses collègues ont dépassé les contraintes artificielles. Ce faisant, ils peuvent mieux comprendre comment une électrode en couche mince contenant du dioxyde de titane, un composé naturel présent dans la peinture, crème solaire et colorant alimentaire, peut avoir un impact énorme sur l'efficacité des cellules solaires.

« Nos travaux ont montré que certains ingrédients chimiques, dont certains ont jusqu'à présent été négligés, peut clairement influencer les performances photovoltaïques de ces cellules solaires, " a déclaré Cole.

Des cellules solaires plus efficaces comme celles-ci peuvent rapprocher la technologie des fenêtres intelligentes du marché, dit Cole, ajoutant que la science est presque là.

"Nous avons juste besoin d'une modeste augmentation des performances pour rendre ces cellules solaires compétitives, " Cole a dit, « puisque le rapport qualité-prix régit l'économie de l'industrie des cellules solaires. Et la fabrication de cellules solaires à colorant est très bon marché par rapport aux autres technologies de cellules solaires. »

Côté performances, les cellules ont récemment battu un record du monde avec une efficacité de conversion de puissance de 14,3 pour cent en utilisant une électrode sensibilisée par colorant comportant deux colorants organiques sans métal co-sensibilisés. Ces colorants « promettent moins cher, des voies de synthèse plus respectueuses de l'environnement et une plus grande flexibilité de conception moléculaire que leurs homologues contenant des métaux, " selon le journal.

La découverte a été faite avec des collègues de l'Université de Cambridge, Royaume-Uni, l'Australian Nuclear Science and Technology Organization et le Rutherford Appleton Laboratory, ROYAUME-UNI. Les chercheurs continuent d'appliquer cette technique de caractérisation des matériaux aux cellules solaires à colorant, qui pourraient révéler d'autres secrets moléculaires et ouvrir la voie à de futures applications énergétiques.