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De l’énergie solaire grâce à des molécules !

Troquer les photopiles actuelles à base de silicium contre des systèmes à base de composés organiques. De la science-fiction ? Peut-être pas...

2053, les dernières gouttes de pétrole ont été extraites de l’Arctique, le gaz et le charbon commencent à leur tour à manquer… Pourtant les voitures roulent, les avions volent, les éclairages urbains brillent la nuit, les cafetières percolent… Le tout grâce aux énergies renouvelables, au premier rang desquelles l’électricité solaire. Logique : cette dernière est gratuite, disponible sur l’ensemble des territoires habités, inépuisable et extraordinairement abondante.

Pour mieux comprendre, effectuons un retour vers le passé en... 2014. La consommation énergétique mondiale atteint des sommets. Comment trouver des substituts aux énergies fossiles ? La réponse est… juste au-dessus de nos têtes : en 1h de temps, le soleil bombarde la planète de l’équivalent d’un an de consommation énergétique mondiale. Un énorme potentiel pour demain. C’est ce qu’ont bien compris les chercheurs des laboratoires ligériens qui travaillent sur les cellules solaires du futur (voir encadré), les cellules photovoltaïques organiques. Elles convertissent la lumière en électricité, mais elles sont fabriquées avec des composés moléculaires. Autrement dit des molécules : ces briques de matière complexes, souvent issues du vivant, constituées d’enchaînements d’atomes de carbone et porteurs d’atomes d’hydrogène et d’oxygène. Ainsi les plastiques, les vêtements, les cosmétiques, le pétrole sont tous des assemblages moléculaires naturels biosourcés ou de synthèse.

L'électricité solaire, l'énergie de demain

Panneaux photovoltaïques au Silicium

En 2014, les photopiles commerciales qui composent les panneaux solaires sont encore à base de silicium, comme les circuits électroniques des ordinateurs, télévisions, appareils électroménagers... C’est une technologie éprouvée, faisant appel à une matière première très abondante dans la croûte terrestre, la silice. Néanmoins, elle commence à montrer ses limites dans certains secteurs. En effet, pour développer de manière massive et partout sur la planète, des énergies renouvelables accessibles, y compris dans les zones en développement, il faut permettre une fabrication aisée des modules pour les panneaux solaires. Tout en réduisant de manière drastique les coûts de production. Très difficile à envisager avec du silicium… Mais tout à fait possible avec des molécules organiques qu’on sait formuler en spray, solution, crème ou poudre pour des dépôts par pulvérisation, trempage, ou peinture par exemple.

Imaginez un instant : un technicien finalisant l’installation d’un toit solaire au pistolet à peinture ; votre smartphone en charge dans votre poche grâce au tissu de votre vêtement ; une partie de l’énergie de votre véhicule fournie par un parebrise transparent ; ou bien votre nouveau papier peint joliment imprimé de motifs colorés et relié à votre compteur électrique. Autant de situations qui ne relèvent plus vraiment de la science-fiction.

Une énergie solaire organique simple

En effet, si l’énergie solaire organique a tant de potentiel c’est que son principe de fonctionnement est très simple. Idem pour la fabrication des cellules qui captent la lumière. Elles peuvent être constituées de deux électrodes, dont une transparente, reliées au circuit électrique. Entre ces deux électrodes, deux types de molécules colorées, l’une riche en électrons l’autre pauvre, sont mélangées. La lumière, forte ou faible, solaire ou artificielle, traverse l’électrode transparente et est absorbée par les molécules qui se retrouvent alors excitées. Pour revenir à leur état normal, les molécules échangent des électrons, les plus riches donnant aux plus pauvres. C’est ça l’électricité : des électrons produits puis injectés dans un circuit.

Aujourd’hui, les meilleures cellules solaires organiques permettent de convertir environ 10% de l’énergie solaire en électricité. Les cellules classiques à base de silicium conduisent à des photoconversions de 10 à 25%. Si ces résultats sont encourageants, le pari n’est pas encore gagné. Aujourd’hui, alors qu’une photopile commerciale peut produire sans baisse de régime pendant au moins 10 ans, quelques heures suffisent à dégrader la plupart des composants organiques. Il reste donc encore du travail ! Mais les espoirs dans ce domaine ainsi que dans celui plus large de l’électronique organique (transistors, écrans, éclairages, capteurs…) sont immenses. Et les laboratoires ligériens dans ces champs de recherche sont très bien placés.


Laboratoire de Recherche Photovoltaïque Organique des Pays de la Loire © CNRS photothèque - Cyril Frésillon


LUMOMAT : l’union fait la force

Le saviez-vous : après l’Île-de-France, la région Pays de la Loire regroupe la plus grande concentration française d’entreprises d’électronique professionnelle.
Le territoire ne démérite pas non plus dans le domaine de la recherche. Les laboratoires de la région sont aujourd’hui leaders français du photovoltaïque organique et très bien implantés dans le domaine en forte expansion des matériaux moléculaires pour l’électronique et la photonique organiques.

Le projet interdisciplinaire Recherche - Formation - Innovation Formation LUMOMAT (RFI - LUmière MOlécules MATériaux) donne de nouvelles perspectives à ce domaine de recherche. Sous l’égide de la région Pays de la Loire, il est copiloté par les laboratoires MOLTECH Anjou (Angers), le CEISAM (Nantes) et l’IMMM (Le Mans) et fédère d’autres équipes de l’IMN, du GEPEA, du CRCNA (Nantes), et du LPhiA (Angers).

Outre des ambitions à l’échelle internationale, le projet comprend la création dès septembre 2014 du premier MASTER (formation bac+5) français sur ces thématiques, une réelle opportunité pour étudiants et recruteurs. Des volontaires pour imaginer les énergies de demain ?

Philippe Leriche
Chercheur au laboratoire MOLTECH Anjou

Infos complémentaires

Le laboratoire MOLTECH-Anjou (UMR 6200) est constitué de cinq équipes. Quatre relèvent de l'Institut National de Chimie du CNRS (SOMaF, ERDySS, SCL, CIMI) et une équipe (MINOS) relève de l'Institut National de Physique du CNRS.
La particularité du laboratoire réside dans la mise en commun de compétences complémentaires de la chimie (chimie théorique et modélisation, synthèse organique et inorganique, chimie de coordination, chimie physique et analytique, matériaux) et de la photonique, vers des objectifs scientifiques centrés sur différentes déclinaisons des matériaux moléculaires.

Le site du laboratoire MOLTECH-Anjou

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