Cellule photovoltaïque nanocristalline à colorant
Matériaux pour les cellules photovoltaïques organiques et nanocristallines à colorant

2.1 Principe

Les cellules solaires nanocristallines à colorant dites cellules de Grätzel sont inspirées de la photosynthèse : la couche active est formée, d'un côté, d'un oxyde semi-conducteur recouvert d'un colorant et, de l'autre, d'une solution électrolytique. Le colorant est greffé à la surface de l'oxyde sous la forme d'une couche monomoléculaire. Il absorbe les rayons solaires incidents (η _abs) qui l'amènent dans un état électroniquement excité, d'où il est à même d'injecter un électron (η _tc) dans la bande de conduction du dioxyde de titane. Les électrons ainsi injectés traversent la couche (η _tr), ils sont ensuite recueillis (η _cc) par un collecteur de courant qui permet de les diriger vers un circuit externe où leur passage produit de l'énergie électrique (figure 11). Les bons rendements obtenus pour ces cellules s'expliquent en grande partie par le fait que le retour de l'électron dans la bande de conduction sur le colorant oxydé C⁺ est beaucoup plus lent que la réduction de C⁺ par le couple redox (D) en solution. De ce fait, la séparation de charge est efficace. Le médiateur oxydé (D⁺) du couple redox est réduit à la contre-électrode. La tension maximale débitée correspond à la différence entre le potentiel d'oxydoréduction du couple redox et le niveau de Fermi du semi-conducteur. La charge positive est transférée du colorant (C⁺) au médiateur D (généralement un iodure) présent dans la solution qui baigne la cellule. Ce médiateur, alors oxydé en tri-iodure, diffuse à travers la solution. Ainsi, le cycle des réactions redox est bouclé, transformant l'énergie solaire absorbée en un courant électrique.

2.2 Matériaux

Les photoélectrodes à base de Si, GaAs, InP, CdS se décomposent par photocorrosion sous irradiation en solution. En revanche, les matériaux semi-conducteurs à base d'oxyde, en particulier TiO₂ et ZnO, ont une bonne stabilité chimique sous irradiation visible en solution ; en outre, ils sont non toxiques et peu coûteux. Quelques exemples des matériaux utilisés sont donnés dans la figure 12...