Conférence de Michael Grätzel

Michael Grätzel est professeur à l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne et directeur du Laboratoire de Photoniques et Interfaces de l’Institut des Sciences et Ingénierie Chimiques depuis 1981.
Michael Graetzel est docteur honoris causa 2017 de l'ENS Paris-Saclay.

Ses axes de recherche sont :

• Photosystèmes mésoscopiques pour la production d'électricité et de carburants à partir de la lumière du soleil.
• Cellules solaires sensibilisées par des colorants et pérovskites.
• Matériaux cathodiques mésoscopiques pour les batteries lithium-ion.

Résumé de la conférence

Perovskite Photovoltaics for Electricity and Fuel Generation from Sunlight

Les perovskites d'halogénures métalliques de la formule générale ABX3, où A est un cation monovalent tel que le césium, le méthylammonium ou le formamidinium, B représente le plomb, l'étain ou le germanium divalent et X est un anion halogénure, ont montré un grand potentiel en tant que collecteurs de lumière pour les cellules photovoltaïques à couche mince.
Cette nouvelle génération révolutionnaire de cellules solaires à couche mince pouvant être traitées en solution a émergé directement des cellules solaires sensibilisées par des colorants il y a environ 10 ans ^[1-4].

Parmi un grand nombre de compositions étudiées, la phase α cubique du triiodure de plomb formamidinium (FAPbI3) est apparue comme le semi-conducteur le plus prometteur pour les cellules solaires pérovskites (PSC) stables et hautement efficaces. La maximisation des performances de l'α-FAPbI3 est donc devenue d'une importance vitale pour la recherche sur les pérovskites.
En utilisant des ions formate comme pseudo-halogénures pour atténuer les défauts du réseau et augmenter la cristallinité du film, nous atteignons une efficacité de conversion de puissance (PCE) de 25,6 % (certifiée 25,2 %) avec une architecture de cellule de configuration n-i-p.
Nous avons également amélioré la capture de la lumière et largement supprimé l'effet de la lumière.
Nous avons encore amélioré la capture de la lumière et largement supprimé la recombinaison non radiative par des points quantiques de SnO2 comme couche de transport d'électrons et un agent passivant d'ammonium amphiphile à l'interface du conducteur de trous de la pérovskite, ce qui permet d'obtenir des PSC avec un PCE de 25,7 % (certifié 25,4 %) ^[5] ainsi qu'une électroluminescence intense atteignant des rendements quantiques externes de 12,5 %.

Récemment, nous avons établi un nouveau record de stabilité opérationnelle des cellules solaires à pérovskite en maintenant plus de 95 % de leur stabilité initiale pendant 3 300 heures d'exposition continue à la lumière solaire à 75 °C [6]. Nos résultats permettent un accès facile à des films pouvant être traités en solution et présentant des performances opto-électroniques sans précédent.

Ces concepts fondamentalement nouveaux ont été appliqués à la production solaire d'hydrogène à partir de l'eau ainsi qu'à la conversion du CO2 en CO ou en éthylène.

La combinaison de la photovoltaïque pérovskite en tandem avec le silicium a permis d'atteindre un rendement de conversion du solaire en hydrogène de près de 19 %. L'état actuel de la recherche dans ce domaine sera présenté.

^{1.    B.O’Regan and M Grätzel,  A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films, Nature 1991, 353 ,737-740. (35’200 citations)
2.    M.Grätzel et.al. Lead Iodide Perovskite Sensitized Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding 9%, Scientific Reports  2012, 2, 591.   (7'800 citations)
3.    M.Grätzel et.al, Sequential deposition as a route to high-performance perovskite sensitized solar cells, Nature 2013, 499, 316–319. (9’400 citations)
4.    M.Grätzel, Light and shade of perovskite solar cells, Nature Mater 2014, 13, 838–842 (1’670 citations)
5.    M.Grätzel et.al Conformal quantum dot-SnO2 layers as electron transporters for efficient perovskite solar cells. Science 2022, 375, 302-306  DOI: 10.1126/science.abh1885.  
6.    M.Grätzel et.al. Science 2022, DOI: 10.1126/science.abh1885}

Biographie

Michael Grätzel a découvert le photovoltaïque moléculaire, en étant le premier à concevoir et à réaliser des photosystèmes mésoscopiques basés sur des capteurs de lumière moléculaires qui convertissent très efficacement la lumière en électricité. À l'heure actuelle, la nouvelle génération de cellules solaires issues de ses recherches peut rivaliser avec les cellules photovoltaïques classiques, voire les dépasser.

On lui attribue le mérite d'avoir fait passer le domaine photovoltaïque du principe d'absorption de la lumière par des diodes au niveau moléculaire. La conception révolutionnaire de sa cellule présente un nouveau paradigme puisqu'elle comporte une jonction mésoscopique tridimensionnelle, contrairement à l'architecture plane p-n utilisée dans les cellules solaires conventionnelles.
Le prototype de cette nouvelle famille photovoltaïque est la cellule solaire à colorant (DSC), également appelée "cellule de Graetzel", qui utilise des molécules de colorant, des pigments ou des points quantiques comme capteurs de lumière. Ceux-ci sont liés en surface sur un support formé par un réseau de nanocristaux colloïdaux d'un semi-conducteur à large bande interdite, tel que le TiO2 ou le SnO2, comme substrat clé de capture des électrons. Le film mésoporeux est infiltré avec un électrolyte redox ou un conducteur de trous à l'état solide pour effectuer le transport de charges vers le contact arrière de la cellule.

Il s'agit du premier et du seul système photovoltaïque qui parvient à séparer l'absorption de la lumière du transport des porteurs de charge, imitant ainsi la réaction lumineuse de la photosynthèse naturelle dans la récolte de l'énergie solaire. Les DSC sont simples et peu coûteux à fabriquer et possèdent des avantages pratiques uniques, notamment leur flexibilité, leur aspect esthétique, leur transparence et la collecte bifaciale de photons. Ils atteignent actuellement une efficacité de conversion de l'énergie de près de 15 % en plein soleil et de plus de 35 % en lumière ambiante. Ces caractéristiques, associées à une excellente stabilité à long terme, ont favorisé les applications commerciales à l'échelle industrielle.
À l'heure actuelle, la production et la vente à grande échelle de DSC ont été lancées pour des applications telles que les panneaux de verre semi-transparents pour la production d'électricité solaire ou les systèmes photovoltaïques flexibles fournissant de l'énergie électrique à partir de la lumière ambiante pour remplacer les batteries des appareils électroniques. Grätzel a joué un rôle central dans le développement récent des cellules solaires en pérovskite (PSC), directement issues du DSC. Leur ascension fulgurante vers une efficacité de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique de 25,65 % en 2020 a stupéfié la communauté photovoltaïque et suscité un énorme intérêt de la part des chercheurs, avec près de 20 000 articles publiés sur le sujet au cours des huit dernières années.

Il a également appliqué son concept de conception mésoscopique pour améliorer la puissance des batteries lithium-ion et pour créer des cellules photoélectrochimiques qui permettent de générer efficacement des carburants chimiques à partir de la lumière du soleil, ouvrant ainsi une nouvelle voie pour fournir de futures sources d'énergie renouvelable pouvant être stockées. Son groupe a atteint des rendements quantiques très élevés pour la décomposition de l'eau en hydrogène et en oxygène sous l'effet de la lumière solaire et la réduction du dioxyde de carbone en monoxyde de carbone ou en éthylène et éthanol.

Prix et distinctions

Michael a reçu de nombreuses récompenses prestigieuses, notamment le

• BBVA Foundation Frontiers of Knowledge Award in Basic Science,
• le prix Marcel Benoist,
• la médaille commémorative August Wilhelm von Hofmann de la société allemande de chimie,
• le prix Global Energy,
• le prix Rusnano,
• le prix et la médaille Zewail en science moléculaire,
• la médaille Leonardo da Vinci de l'Académie européenne des sciences,
• le prix Paracelsus de la société suisse de chimie,
• l'ordre de mérite du canton de Vaud (Suisse),
• le prix scientifique international King Faisal,
• le prix Samson du Premier ministre pour l'innovation dans le domaine des carburants de substitution (Israël),
• le premier prix Leigh-Ann Conn pour les énergies renouvelables (États-Unis),
• la médaille d'or Paul Karrer, Suisse,
• le prix mondial de la science Albert Einstein,
• le prix de la recherche électrique suisse,
• la médaille Wilhelm Exner,
• le prix de la recherche Gutenberg,
• le prix Galileo Galilei,
• le prix Balzan,
• la médaille Galvani,
• le prix de la technologie du millénaire,
• le prix Balzan,
• le prix Harvey
• le prix Calveras pour le photovoltaïque Leapfrog (NREL, États-Unis).

Il a reçu des doctorats honorifiques de 12 universités européennes et asiatiques.

Il est également membre élu de

• l'Académie suisse des sciences techniques,
• l'Académie allemande des sciences (Leopoldina),
• la Royal Society (Royaume-Uni),
• l'Académie chinoise des sciences,
• l'Académie royale espagnole d'ingénierie
• et de plusieurs autres sociétés savantes.

Il est membre honoraire de l'Académie européenne des sciences, de la Société vaudoise de sciences naturelles et de la Israeli Chemical Society.

Ses plus de 1800 publications ont eu un impact majeur sur le domaine de la recherche sur les énergies renouvelables. Un récent classement bibliométrique de l'université de Stanford place Michael au premier rang parmi 100 000 scientifiques de premier plan dans le monde, tous domaines scientifiques confondus.

• Il sera également présent à la conférence MOMENTOM.