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10 découvertes 2010

Du soleil en pile

[3]_Energie/Chimie Université du Québec à Montréal
Par Bouchra Ouatik - 07/01/2011
Des piles solaires flexibles, minces et peu coûteuses, pourraient changer la donne énergétique, au Québec et ailleurs.


Par un après-midi d’automne, sur le campus de l’Université du Québec à Montréal, les feuilles des arbres captent les derniers rayons du soleil. Elles emmagasinent l’énergie nécessaire pour passer l’hiver.

 À l’intérieur, dans son laboratoire, le chimiste Benoît Marsan s’affaire autour d’un autre genre de soleil, électrique celui-là: une lampe conçue pour tester la pile qu’il vient de mettre au point. Cette pile est mince, flexible comme une feuille d’arbre et tout aussi efficace.

«La photosynthèse, c’est de l’énergie gratuite!» résume le scientifique. En une heure d’ensoleillement, la Terre reçoit plus d’énergie que toute la planète n’en consomme en une année! Si on trouvait le moyen de la récupérer facilement et à faible coût, on réglerait beaucoup de nos problèmes d’approvisionnement énergétique.

Les piles solaires – comme celles que l’on trouve sur les panneaux photovoltaïques – fonctionnent à base de silicium, un matériau coûteux, et elles sont compliquées à fabriquer. Il y a déjà près de 20 ans, le chercheur suisse Michael Grätzel, avec qui collabore aujour­d’hui Benoît Marsan, a cherché une solution moins onéreuse aux piles de silicium. Il a ainsi développé des piles solaires utilisant un colorant, les piles «DSSC» (pour «dye-sensitized solar cells»).

Mais, la cathode est composée de platine, un métal très rare et lui aussi très cher. La solution électrolyte, quant à elle, qui permet de faire circuler le courant, est à base d’iode, et cette substance d’un rouge intense absorbe une grande partie de la lumière. Du coup, la pile surchauffe et son efficacité est réduite. L’iode peut aussi être dommageable pour l’environnement et, parce qu’elle est très corrosive, elle détruit les contacts en argent utilisés pour assembler plusieurs piles en panneau. Ces dernières ne peuvent donc fonctionner qu’individuellement et leur durée de vie est très limitée.

Benoît Marsan a gardé le principe, mais il a testé d’autres matériaux. Pendant plusieurs années, il a cherché un substitut à l’iode. Avec l’aide de Livain Breau, un collègue chimiste de l’UQAM, il a finalement obtenu une solution électrolyte composée de deux types de molécules organiques – des disulfures et des thiolates. Elle est non corrosive et sans danger pour l’environnement, mais elle est aussi transparente, ce qui élimine le problème de surchauffe.

Par la suite, Benoît Marsan a découvert le matériau idéal pour remplacer le platine de la cathode: du sulfure de cobalt. Celui-ci est non seulement beaucoup plus abordable, mais il accélère la réaction chimique permettant au courant de circuler. L’électrochimiste a placé ce  matériau dans sa pile avec iode et a aussi pu remplacer la couche de verre, sur laquelle était déposé le métal, par du plastique, ce qui rend le tout extrêmement flexible. Au cours des expériences, dont il a publié les résultats dans deux prestigieuses revues du monde de la chimie– Journal of American Chemistry Society et Nature Chemistry –, le chercheur a changé un composant à la fois, soit la cathode, soit l’électrolyte, et il a déjà obtenu des résultats convaincants. Prochaine étape, assembler ces deux nouveaux matériaux dans une seule pile. «On a commencé les tests et on sait déjà qu’on va obtenir une efficacité encore plus grande!»

Le chercheur envisage un avenir brillant pour son invention. «Le coût de l’énergie produite par les piles au silicium est cinq à six fois plus élevé que celui des combustibles fossiles», poursuit-il. Il estime que l’énergie produite avec ses nouvelles piles pourrait être moitié moins coûteuse que celle des énergies fossiles. «Seulement 0,01% de l’énergie mondiale est produite par la technologie photovoltaïque. Si on peut augmenter cette production ne serait-ce qu’à 1%, ça serait déjà énorme!»

Benoît Marsan a des rêves encore plus fous. Ses piles solaires sont si minces et si flexibles qu’elles peuvent être enroulées ou pliées sans se casser. «On peut très bien imaginer les porter à même ses vêtements! Cela serait très utile pour quelqu’un qui part en expédition dans l’Arctique, par exemple. Grâce à cette source directe d’électricité, il pourrait très bien alimenter son ordinateur portable.» Quant aux voitures solaires, ces véhicules à l’allure futuriste dont le toit est recouvert de plaquettes photovoltaïques, les piles du professeur Marsan vont peut-être les transformer en véhicules tout ce qu’il y a de plus commun. Seule différence: une fine pellicule de piles solaires, presque invisible, garnirait la voiture pour tirer profit de la lumière du soleil. «Comme c’est une pile flexible, elle peut prendre des formes arrondies, ce qui permet de recouvrir de plus grandes surfaces», explique le chimiste. On pourrait en mettre sur les toits et les murs des maisons, afin de rendre les résidences autonomes en électricité; mais aussi sur les fenêtres, car elles laissent passer la lumière du soleil. Une application particulièrement prometteuse pour les pays en développement, en raison du faible coût de production de cette innovation.

Avec déjà deux brevets en poche pour sa cathode en sulfure de cobalt, le cher­cheur pense que ces piles pourront être disponibles sur le marché d’ici deux ans. Une invention propre, propre, propre, pas chère et 100% québécoise.


Les piles «DSSC»

Tout comme les piles conventionnelles, les piles à base de colorant possèdent deux bornes, l’anode et la cathode, entre lesquelles circule une solution chimique conductrice, l’électrolyte. Une très fine couche de colorant recouvre l’anode, ce qui lui permet, comme la chlorophylle des plantes, d’absorber la lumière. Lorsque la pile reçoit les rayons du soleil, ses électrons sont soumis à un effet domino. D’abord, un électron du colorant, excité par la lumière, est éjecté de sa position. Puis, il frappe un électron de l’anode, qui parcourt un fil électrique reliant les deux bornes. La réaction en chaîne se poursuit, de la cathode à l’électrolyte pour finalement revenir à l’anode, générant ainsi un courant électrique.

Les 10 découvertes de l'année 2010