La structure du dispositif proposé, montrant comment les trous générés (h+) sont utilisés pour faciliter l'oxydation des thiols. Le courant mesuré augmente considérablement sous l'éclairage et l'application d'un faible potentiel. Crédit: Communications chimiques
Une équipe de recherche de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) et de l'Université de Kanazawa a développé un dispositif respectueux de l'environnement qui utilise l'énergie solaire pour catalyser une réaction d'oxydation électrochimique avec un rendement élevé.
Les sources d'énergie verte constituent un domaine de recherche brûlant à l'échelle mondiale en raison de la crise environnementale actuelle et de la nécessité d'éviter les énergies non renouvelables (combustibles fossiles). Les chercheurs cherchent des moyens d'exploiter et de récolter l'énergie solaire depuis des décennies, et appareils photovoltaïques, qui transforment la lumière en électricité, sont très demandés.
L'étude de ces dispositifs a progressé depuis les années 1970, après les chocs économiques causés par les prix du pétrole. Alors que la plupart des progrès ont été réalisés pour les cellules solaires à base de silicium, les scientifiques ont démontré que les dispositifs photovoltaïques organiques peuvent également atteindre des performances acceptables. L'utilisation de matériaux organiques est avantageux car ils sont imprimables et peints en tant que processus respectueux de l'environnement, contrairement aux procédés au silicium. Les matières organiques sont également très variées, permettant de les adapter à chaque application spécifique.
Les cellules solaires photovoltaïques organiques sont constituées d'une « couche active » prise en sandwich entre deux électrodes différentes (une électrode avant transparente et une électrode arrière). La couche active est l'endroit où la magie commence; l'énergie des photons de la lumière incidente est transférée aux électrons du matériau par des collisions, les exciter et les mettre en mouvement, laissant derrière eux des pseudo-particules chargées positivement appelées "trous". Ceux-ci n'existent pas techniquement, mais peut être utilisé pour décrire approximativement le comportement électrique du matériau. L'importance des électrodes réside dans le fait que chacune doit capter un type de ces particules chargées (on capte des trous, et les autres électrons) pour éviter qu'ils ne se recombinent dans la couche active. Les électrons circulent à travers un circuit externe qui est connecté aux deux électrodes, créer de l'électricité à partir de la lumière.
Une cellule photovoltaïque organique conventionnelle est retirée de l'électrode arrière et transformée en dispositif photoélectrochimique qui collecte de grands volumes d'électrons et de trous. Crédit :Université de Kanazawa
Cependant, il est difficile de collecter un grand nombre d'électrons et de trous au niveau des électrodes et de convertir la lumière en électricité avec un rendement élevé. Certains chercheurs ont proposé d'utiliser directement les trous ou les électrons générés dans des réactions chimiques à proximité de la couche active. Ainsi motivé, une équipe de recherche comprenant le Dr Keiji Nagai de Tokyo Tech et de l'Université de Kanazawa a proposé une procédure de fabrication simple pour un dispositif photoélectrochimique organique capable de récolter l'énergie solaire pour favoriser une réaction d'oxydation chimique.
Leur démarche part d'un dispositif photovoltaïque organique conventionnel, qui peuvent être facilement fabriqués et dont les caractéristiques sont bien connues, et retirer mécaniquement la contre-électrode où les trous sont collectés. La couche active exposée est revêtue de ZnPc et immergée dans du thiol, comme le montre la figure 1. Les trous générés par la lumière incidente sont directement utilisés pour l'oxydation du thiol, qui est catalysée (facilité) par la couche de ZnPc. Les électrons excités s'écoulent à travers l'électrode avant restante, générer un courant électrique.
La simplicité et les avantages de l'approche de fabrication et l'efficacité mesurée lors de la récolte de l'énergie lumineuse sont très prometteurs. "Le retrait de la contre-électrode est une technique prometteuse et reproductible pour construire une cellule photoélectrochimique bien caractérisée, " explique le Dr Nagai. Les chercheurs ont également étudié les propriétés topographiques et électrochimiques de la couche active revêtue de ZnPc pour élucider les principes de son activité catalytique. " Les effets du revêtement de ZnPc ont été clairement observés dans nos analyses et consistent en l'accumulation efficace de trous photogénérés, ", explique le Dr Takahashi de l'Université de Kanazawa. Des dispositifs respectueux de l'environnement tels que celui proposé offrent plus de moyens de récolter l'énergie du soleil et nous rapprochent d'un avenir plus vert.
