23 mars 2016
Des lycéens dans le monde de la recherche scientifique

Une idée originale d’un enseignant de physique-chimie de la cité scolaire internationale de Grenoble a conduit des lycéens à vivre par eux-mêmes un processus de recherche scientifique. Cela les a menés jusqu’à Singapour pour la huitième édition de l’International Science Youth Forum.

L’idée de départ est venue d’Éric Martinet, un enseignant de physique-chimie de terminale scientifique. Séduit par une présentation sur les cellules solaires à colorant, lors de la Fête de la Science 2015 par des chercheurs des laboratoires de l’INAC, il a décidé de lancer un défi à ces lycéens : tenter de savoir si on peut charger son téléphone portable avec un verre de jus de fruit.

Il n’en fallait pas plus pour qu’un groupe de 7 lycéens curieux se lance dans ce défi mêlant nouvelles technologies et recherche fondamentale.

Se confronter à l’expérience

Pour ce travail de recherche, l’équipe s’est appuyée sur les connaissances de Cyril Aumaitre, doctorant s’intéressant aux cellules solaires au laboratoire LEMOH au sein du service SyMMES de l’INAC.

Produire de l’électricité avec des fruits et légumes, « c’est possible ! », leur a-t-il dit, « il suffit de choisir les plus colorés de votre réfrigérateur, et d’en extraire les colorants ». Le défi est de savoir quel fruit ou légume est le plus efficace.

Nos jeunes chercheurs débutants ont donc mixé et extrait les colorants d’épinards, carottes, betteraves et myrtilles. Après quelques difficultés expérimentales, dont la dégradation de certains colorants à la température et à la lumière, ils ont choisi celui issu des myrtilles pour leurs expériences. Ce colorant naturel a ensuite été comparé à un colorant synthétique issu du laboratoire LEMOH. Pour cette confrontation expérimentale, ils ont été accueillis sur la plateforme technologique CIME nanotech.

Lycéen en pleine concentration au laboratoire

Produire de l’électricité

Passer de l’énergie solaire à l’électricité, comment faire ? Avec les cellules solaires à colorant, on vient déposer une fine couche de dioxyde de titane mésoporeux sur une photoanode conductrice transparente. Après recuit, un colorant (une molécule photoactive) est greffé sur la surface de l’électrode puis on vient sceller la cellule avec une contre électrode. Afin d’assurer la continuité du circuit on vient remplir la cavité restante avec un électrolyte contenant une espèce oxydo-réductrice (I-/I3-). Les rayons du soleil, les photons, vont venir exciter la molécule du colorant qui va passer d’un état fondamental à un état excité (étape 1 du schéma ci-dessous). L’électron promu au niveau excité va basculer dans la bande de conduction du titane (2) puis dans le circuit extérieur. Enfin le colorant est régénéré par le couple réducteur-oxydant (3) puis le processus se répète. Les électrons ainsi extraits dans le circuit extérieur vont former le courant électrique que l’on pourra utiliser pour charger une batterie par exemple. C’est le principe de fonctionnement des cellules à colorants mis en évidence au début des années 90 par Michaël Grätzel et Brian O’Regan (Nature, 1991 : nature 1991, .pdf)

Avec ce schéma de principe simple, on devrait pouvoir atteindre une efficacité de rendement élevée avec des colorants commerciaux (supérieur à 10%). Malheureusement, Les lycéens se sont aperçus que cette valeur est rarement atteinte dans la littérature et seulement de 4 à 5% dans leurs expériences. Ce faible rendement peut s’expliquer par des phénomènes de recombinaison des charges, ce qui a pour conséquence que des électrons sont perdus et donc que le courant électrique est moins important qu’attendu. De plus, les colorants naturels utilisés dans ce travail n’ont pas les propriétés optiques optimisées pour atteindre de forts rendements.

Cellule solaire à colorant expérimentale

 

Les résultats

Une fois les cellules réalisées et testées, leur conclusion est la suivante : théoriquement, il faudrait environ 1m2 de panneau solaire avec du colorant issu des myrtilles pour recharger la batterie d'un téléphone portable en 2h minimum.

Deux lycéens de l’équipe ont eu le privilège de présenter leurs travaux lors de la huitième édition de l’International Science Youth Forum, à Singapour, devant quatre prix Nobels. Ils ont été premiers ex-aequo à la « poster competition » avec une équipe de Singapour. Ils ont également reçu le premier prix du public.

Retrouvers leur poster ici : ISYF-PosterFINAL.pdf

L'équipe de lycéens au complet avec leur enseignant, Éric Martinet

Le 8 avril prochain, le Midi MINATEC sera consacré à ce projet. Les lycéens viendrons présenter leurs travaux.

 

A l’INAC

Cyril Aumaitre travaille à la synthèse et l’étude de nouveaux matériaux organiques pour la réalisation de cellules solaire. Il cherche à trouver de nouveaux matériaux capables d’absorber la gamme spectrale infrarouge de la lumière pour augmenter les rendements de conversion ou potentiellement rendre les panneaux solaires complètement transparents. Il a commencé sa thèse en 2014 auprès de Peter Reiss et Renaud Demadrille.Le défi scientifique aujourd’hui réside dans la synthèse de ces matériaux pour qu’ils soient efficaces, stables et potentiellement industrialisables.

Ces travaux sont portés par le laboratoire LEMOH du service SyMMES de l’INAC

Cyril Aumaitre avec une cellule solaire - Credit J. RIDOUARD

En lien :

-  Metal-free organic sensitizers with narrow absorption in the visible for solar cells exceeding 10% efficiency - http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2015/EE/C5EE00444F#!divAbstract

A Robust Organic Dye for Dye Sensitized Solar Cells Based on Iodine/Iodide Electrolytes Combining High Efficiency and Outstanding Stability - http://www.nature.com/articles/srep04033

- http://www.spram-solar.fr/

- http://www.ambafrance-sg.org/8eme-International-Science-Forum-Youth-a-Singapour-Des-lyceens-francais

- http://padlet.com/eric1_martinet/CSIgoesSolar_com00

 

Maj : 23/03/2016 (1166)

 

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