Comment créer de l'électricité avec de la lumière ?

Énergie solaire : le rôle des photons et des électrons 

La lumière et l'électricité sont deux formes d'énergie différentes, et on veut convertir l'une en l'autre. Un faisceau lumineux est constitué de grains de lumière appelés « photons ».

La couleur des photons, à la base de l'énergie lumineuse

L’énergie lumineuse est l’énergie des photons. Tous les photons n’ont pas la même énergie. L'énergie des photons est liée à la couleur de la lumière. Par exemple, un photon violet est deux fois plus énergétiques qu'un photon rouge. 

Le déplacement des électrons, à la base de l'énergie électrique

L'énergie électrique, elle, est issue du déplacement dans la matière des électrons. Dans un semi-conducteur, il existe deux types d'électrons : ceux qui sont captifs d'un atome ne contribuent pas au courant électrique. Les autres sont libres de se déplacer dans le matériau. Ces électrons libres deviennent un courant électrique si l'on fait en sorte qu'ils se déplacent tous dans la même direction. Pour établir un courant dans un semi-conducteur, il faut donc, entre autres, augmenter le nombre d'électrons libres. Mais pourquoi certains électrons sont libres et d'autres captifs ? Simplement parce que tous les électrons n'ont pas la même énergie. Un électron captif d'un atome n'a pas l'énergie nécessaire pour se libérer de l'atome et contribuer au courant électrique. Mais si on lui fournit cette énergie, l'électron se libère de l'atome et vient augmenter le courant électrique. Une quantité minimale d'énergie est nécessaire pour que l'électron se libère. Mais fournir une énergie plus grande est du gaspillage. Car une fois l'électron libéré, l'énergie restante est transformée en chaleur et pas en électricité.

Cellules photovoltaïques vs cellules Grätzel

L'exploitation du silicium

Pour produire de l'électricité avec de la lumière, il suffit de trouver un matériau dont les électrons peuvent être libérés avec l'énergie des photons. C'est le cas du silicium. L'énergie nécessaire pour libérer les électrons du silicium correspond à celle de photons infrarouges, c'est-à-dire d'une couleur ou d'une longueur d'onde juste au-delà du rouge et que l'œil ne peut pas voir. Si on envoie de la lumière infrarouge sur du silicium, il produit donc de l'électricité. C'est le principe des panneaux photovolcaïques. Mais comme les photons rouges, bleus ou verts sont plus énergétiques que les photons infrarouges, ils produisent aussi de l'électricité. Malheureusement, et bien que les photons bleus soient deux fois plus énergétiques que les infrarouges, ils produisent exactement la même quantité d'électricité. Toute l'énergie en excès est transformée en chaleur. C'est pour cette raison que les panneaux solaires au silicium ont un très faible rendement. Une grande partie de la lumière du soleil est simplement transformée en chaleur et non en électricité.

Cellule grÄtzel

Il existe une autre façon de transformer la lumière en électricité : en s'inspirant à la fois de la photosynthèse et du fonctionnement d'une pile. La photosynthèse utilisée par les plantes pour se nourrir utilise l'énergie de la lumière pour produire des réactions chimiques. Une pile utilise des réactions chimiques pour produire de l'électricité. En associant les deux, on peut produire de l'électricité à partir de la lumière. C'est le principe des cellules solaires à pigments photosensibles appelées « cellules Grätzel ». L'élément clé de la photosynthèse dans une plante, c'est la chlorophylle, un pigment qui absorbe l'énergie de la lumière. Dans une cellule Grätzel, c'est un pigment synthétique qui utilise l'énergie des photons pour exciter des électrons. Ces électrons sont capturés par un semi-conducteur en contact à la fois avec le pigment et l'électron négatif de la cellule. Le reste de la cellule est similaire à ce qu'on retrouve dans une pile : une solution chimique qui assure le transport des charges électriques à l'intérieur de la pile. Les cellules Grätzel présentent plusieurs avantages par rapport aux cellules au silicium. Elles fonctionnent avec très peu de lumière et elles sont presque transparentes, au point qu'on envisage d'en couvrir les fenêtres. Et elles sont très faciles à fabriquer, même par les non professionnels. Mais il s'agit d'une technologie très récente en plein développement : on commence à peine à la voir apparaître dans des applications grand public, comme par exemple pour alimenter les tablettes électroniques.

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