Tests en cellules solaires

Le choix du colorant à intégrer dans la cellule solaire n’est qu’un des nombreux paramètres influençant son efficacité. En effet, tous les matériaux utilisés pour la fabrication du dispositif photovoltaïque vont avoir un impact sur le rendement de conversion de l’énergie solaire en électricité. Il est donc primordial de définir en premier lieu les matériaux à utiliser pour une efficacité optimale de la part de la cellule. Il nous faut utiliser des électrodes transparentes pour que la lumière du soleil puisse arriver jusqu’au sensibilisateur. Le semi-conducteur doit être assez poreux pour accueillir une grande quantité de molécules du colorant. Il doit également posséder un bon coefficient de diffusion pour que les électrons injectés dans sa bande de conduction puissent arriver jusqu’à l’électrode. Enfin, nous allons voir que le médiateur rédox doit respecter plusieurs critères. Pour ne citer qu’un exemple pour l’instant, il ne doit pas absorber la lumière du soleil au-delà du domaine de l’ultra-violet.  Les électrodes utilisées doivent être transparentes pour laisser passer la lumière à travers la cellule jusqu’au sensibilisateur, et elles doivent également être conductrices. Pour répondre à ces critères, les plus répandues sont en dioxyde d’étain dopé au fluor (FTO). Ces électrodes sont privilégiées car elles possèdent de bonnes stabilités et durabilités du point de  vue thermique, chimique et physique152. Ces électrodes sont peu chères et peu toxiques, ce qui les rend encore plus attractives.

Le semi-conducteur

Le dioxyde de titane est le semi-conducteur le plus connu, le plus utilisé et qui donne les efficacités les plus élevées en cellules solaires. Ce dernier est stable, non toxique et peut également être intégré dans les dentifrices, les crèmes solaires ou encore dans les peintures comme pigment blanc. Le TiO2 possède une légère déficience en oxygène (TiO2-x avec x < 0.08)159. Ces lacunes en oxygène sont la cause d’un dopage n du matériau qui est donc responsable de sa contribution semi-conductrice. Ce dernier est toujours associé à un colorant sensibilisateur car comme tout semi-conducteur, il possède un gap énergétique élevé, ce qui  rencontrés dans la nature pour le dioxyde de titane161. L’anatase dont la géométrie se rapproche de l’agencement octaédrique, est la structure la plus prisée pour la fabrication des DSSC. En effet, il s’agit de la forme la plus stable thermiquement (elle est convertie en rutile à partir de 700°C) et elle possède un niveau d’énergie élevé de sa bande de conduction de par son large gap énergétique (3,2 eV). Cette caractéristique résulte en une tension de courant élevée dont la valeur est calculée par la différence d’énergie entre la bande de conduction du TiO2 et la HOMO du médiateur rédox.

L’utilisation du TiO2 sous forme de nanoparticules donne les meilleurs rendements de conversion. Une augmentation de la taille des particules entraîne une diffusion plus efficace des électrons à travers le semi-conducteur pour arriver jusqu’à l’électrode162. Le diamètre peut ainsi varier entre 10 et 30 nm avec un degré de porosité d’environ 50 à 60 %. Ce pourcentage de porosité pourrait être augmenté par changement de pression au cours du processus de préparation pour pouvoir accueillir plus de molécules à la surface du TiO2, mais un seuil critique existe aux alentours des 76 %163. En effet, le transport des électrons de particules en particules devient plus difficile et beaucoup plus long, ce qui diminue la cinétique du transport  L’épaisseur du film du TiO2 est typiquement de 10 µm. Il peut être réduit pour améliorer les transferts de charges jusqu’au substrat conducteur et ainsi diminuer les recombinaisons de charges. Pour cela, des nanotubes de dioxyde de titane peuvent être  Le médiateur rédox doit remplir plusieurs critères nécessaires pour assurer un fonctionnement efficace de la cellule solaire. Afin que la quasi-totalité du spectre solaire arrive jusqu’au sensibilisateur, la solution électrolyte nécessite de posséder une faible absorption de la lumière du soleil au-delà du domaine de l’ultra-violet. Pour permettre une tension de fonctionnement élevée, le potentiel du couple rédox doit se situer haut en énergie mais en même temps suffisamment bas pour garantir la réduction de l’état oxydé du colorant. Une solubilité élevée est requise dans le solvant dans le but d’augmenter le nombre des porteurs de charges. Un coefficient de diffusion élevé leur est primordial pour en assurer des transports efficaces dans la solution électrolyte. Et comme pour le colorant, il est exigé une grande stabilité de la part de chaque espèce du médiateur pour une durée de vie plus importante du dispositif photovoltaïque.