Un chercheur qui tombe pile!

Deux découvertes de Benoît Marsan pourraient faciliter la production à grande échelle de piles solaires peu coûteuses, durables et efficaces.

15 Novembre 2011 à 0H00

Imaginez une pile solaire mince et souple pouvant être intégrée à toutes sortes de surfaces exposées au soleil : les fenêtres des maisons, la carrosserie des voitures et même les vêtements conçus pour les longues expéditions. Imaginez partir en randonnée avec une veste captant l'énergie du soleil et sur laquelle vous pourriez recharger votre téléphone portable. Science-fiction? Pas entièrement. Depuis la crise du pétrole qui a secoué le monde dans les années 70, la recherche sur la production d'énergie solaire a énormément progressé.

Cela fait 25 ans, depuis ses études de maîtrise et de doctorat, que le chimiste Benoît Marsan cherche le moyen de fabriquer une pile électrochimique capable à faible coût de capter l'énergie du soleil. «Une pile, dit-il, qui permettrait de démocratiser l'usage de cette énergie propre et inépuisable.» Même quand le prix du pétrole a baissé, dans les années 80, et que l'intérêt pour les énergies alternatives a faibli, la passion pour le solaire de ce chercheur infatigable ne s'est jamais refroidie. Au cours des dernières années, sa persévérance a été récompensée : il a publié dans deux revues prestigieuses, le Journal of the American Chemical Society et Nature Chemistry, des découvertes qui pourraient transformer l'avenir de la pile solaire. Ensemble, ces deux innovations ont été primées par le magazine Québec Science comme l'une des 10 découvertes de l'année 2010.

Des piles à prix d'or

La Terre reçoit plus d'énergie solaire en une heure que la planète n'en consomme actuellement en un an! Malheureusement, il n'existe toujours pas de moyen simple et efficace de transformer cet immense potentiel en énergie utilisable. Les piles photovoltaïques existantes, pour la plupart à base de silicium, coûtent une fortune. Résultat? L'électricité produite par ces piles revient deux ou trois fois plus cher que celle provenant de centrales hydroélectriques ou des combustibles fossiles. «En ce moment, l'énergie solaire revient à environ trois dollars le watt produit, mentionne Benoît Marsan. Pour qu'elle devienne concurrentielle, il faudrait pouvoir la produire à moins de un dollar le watt.»

On parle ici d'énergie photovoltaïque, autrement dit d'électricité produite directement à partir de la lumière, et non de l'énergie thermique fournie par les capteurs solaires qu'on installe sur le toit des maisons pour absorber la chaleur du soleil et chauffer l'eau, par exemple. En raison de ses coûts élevés de production, l'énergie photovoltaïque ne compte que pour environ 0,01 % de l'électricité consommée dans le monde.

L'une des piles photovoltaïques les plus prometteuses a été conçue au début des années 90 par le professeur Michael Graetzel, de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne, en Suisse. Sensibilisée par un colorant, elle s'inspire du principe de la photosynthèse, ce processus qui permet aux plantes de se nourrir en absorbant l'énergie lumineuse. Cette pile a même été commercialisée : intégrée à un sac à dos, elle permet de recharger un téléphone ou même un ordinateur portable!

Mais ses applications restent limitées. Malgré ses nombreux avantages - «les matériaux qui la composent sont flexibles, ce qui permet théoriquement de les intégrer à toutes sortes de surfaces exposées au soleil», note Benoît Marsan -, la pile Graetzel reste difficilement commercialisable dès qu'on l'assemble en modules. En effet, la solution électrolytique dans laquelle baignent l'anode et la cathode est très corrosive pour les contacts électriques en argent de la pile. Quand plusieurs piles sont connectées entre elles pour obtenir de plus grandes surfaces, leur stabilité est compromise.

Autre problème : cette solution électrolytique à base d'iode, très colorée, réduit la quantité de lumière qui passe à travers la pile, limitant d'autant son efficacité. Finalement, même si la plupart des matériaux qui composent la pile Graetzel sont peu chers, l'une de ses composantes essentielles, la cathode, est enduite de platine, un matériau rare et coûteux. Depuis 20 ans, des chercheurs de partout dans le monde ont donc planché sur diverses solutions aux problèmes posés par la pile Graetzel.

Une collaboration fructueuse

Au cours de sa carrière principalement consacrée à la conception d'une pile solaire électrochimique, Benoît Marsan a testé toutes sortes de systèmes et de composantes pour lesquels lui et les membres de son équipe ont obtenu de nombreux brevets. En réfléchissant aux problèmes de la pile Graetzel, il a réalisé que deux composantes déjà testées dans son laboratoire en rapport avec un autre type de pile pourraient améliorer la pile suisse.

C'est lors d'un congrès au Portugal, en 2008, que le chimiste a proposé aux chercheurs de Lausanne une première modification à leur pile. Il s'agissait de remplacer le platine de la cathode par du sulfure de cobalt, un composé plus facile à produire et plus stable quand il est introduit dans un dispositif flexible. «Notre but était de proposer un matériau au moins aussi bon catalyseur que le platine, mais moins coûteux», explique Benoît Marsan. Au cours des mois qui ont suivi, les deux laboratoires ont travaillé en collaboration pour mettre au point une nouvelle pile au sulfure de cobalt : une première réussite dont le Journal of the American Chemical Society a fait mention dans un article publié en 2009.

Par la suite, c'est l'électrolyte de la pile Graetzel qui a été remplacé. Benoît Marsan a fourni à l'équipe de Michael Graetzel de toutes nouvelles molécules mises au point dans son laboratoire. Il s'agit d'une version modifiée d'une solution électrolytique qu'il utilisait déjà depuis 1992 pour sa propre pile électrochimique et dont la concentration a pu être accrue grâce à l'apport de son collègue Livain Breau, du Département de chimie. Le liquide ou gel qui en résulte est transparent et laisse donc passer la lumière. Cela contribue à améliorer le rendement de la pile, puisqu'une plus grande quantité d'énergie parvient jusqu'à l'élément photoactif. «Mais, surtout, l'électrolyte n'est pas corrosif, ce qui permet d'obtenir une pile stable et commercialement viable lorsque montée en modules», explique Benoît Marsan. Cette deuxième innovation a été publiée en 2010 dans Nature Chemistry, la revue la mieux cotée au monde dans le domaine de la chimie.

Vers la commercialisation

Au départ, les deux nouvelles composantes ont été testées séparément. «En science, on travaille sur un paramètre à la fois, rappelle le professeur. Il s'agissait de démontrer que chacune des deux composantes pouvait améliorer significativement le rendement de la pile.» Aujourd'hui, le chercheur travaille sur une pile intégrant à la fois la nouvelle cathode et le nouvel électrolyte. Fait intéressant, la pile fonctionne très bien sous un éclairage faible ou diffus, par temps couvert, à l'intérieur et même sous une lumière artificielle!

Bien des heures de laboratoire - et de coûteux investissements en recherche - seront encore nécessaires pour peaufiner le dispositif de la pile solaire électrochimique. Mais si tout se passe bien, le professeur est convaincu qu'une nouvelle pile solaire abordable, efficace et durable pourra être commercialisée d'ici quelques années.

Parallèlement aux recherches qu'il mène sur la pile Graetzel, Benoît Marsan continue également de chercher la combinaison d'éléments chimiques idéale pour l'autre pile solaire sur laquelle il travaille depuis des années. «On a beau inventer de nouvelles technologies pour extraire le pétrole et le gaz, les ressources étant limitées, le problème énergétique ne va pas disparaître, observe le chercheur. C'est pourquoi nous devons poursuivre nos efforts en vue de trouver des solutions de rechange durables à l'énergie fossile.»

Avec ce qu'on sait aujourd'hui des effets sur le climat des gaz à effet de serre causés par les énergies fossiles, la nécessité de développer une source d'énergie propre se fait d'autant plus pressante. Les applications potentielles d'une pile photovoltaïque efficace sont innombrables. «Beaucoup de pays en développement ont le soleil, mais n'ont pas la technologie pour transformer cette énergie en électricité, observe Benoît Marsan. Il y a une niche énorme pour une pile solaire abordable dans ces pays.»

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