Photovoltaïque : ainsi naît une révolution

EURÊKA! # 14


Rédigé par Piétrick HUDHOMME, professeur de chimie à l'Université d'Angers - Angers, le 16/03/2017 - 13:44 / modifié le 16/03/2017 - 21:28


Avec cette rubrique bimensuelle, la rédaction d’Angers Mag et l’Université d’Angers (UA) s’associent pour éclairer autrement le débat public et les questions de notre temps, en confiant la plume à quelques-uns des 560 enseignants-chercheurs et 518 doctorants de l’institution, qui travaillent au sein des 25 laboratoires de l'UA. Pour ce 14e volet d’Eurêka, Piétrick Hudhomme, professeur de chimie, nous parle d’un domaine en pleine expansion et à très fort potentiel : le photovoltaïque organique.



Piétrick Hudhomme dans les laboratoires de MOLTECH-Anjou.
Piétrick Hudhomme dans les laboratoires de MOLTECH-Anjou.
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Avez-vous déjà regardé avec attention un ballon de football avec ses 20 hexagones, 12 pentagones et 60 sommets ? En 1985, Harry Kroto de l’Université du Sussex (GB) découvrait, en s’intéressant aux molécules pouvant être présentes dans les poussières d’étoiles, une molécule comportant exactement et uniquement 60 atomes de carbone. Autant d’atomes que de sommets dans le ballon de football.

Jusqu’à cette date, seuls le graphite et le diamant étaient connus comme structures moléculaires comportant uniquement des atomes de carbone. En hommage à l’architecte Buckminster Fuller, Harry Kroto nomme cette molécule « Buckminsterfullerène ». Elle est aujourd’hui plus couramment appelée «  fullerène C60  ». 
Ce ballon  de moins de 1 nanomètre de diamètre (0,000000001 mètre) est une pièce de Lego® magique et fascinante pour le chimiste organicien que je suis et pour le développement des nanotechnologies. Cette molécule est un formidable accepteur d’électrons. Lorsqu’on l’associe avec une molécule « organique » complémentaire donneuse d’électrons (qui contient donc des atomes de carbone, mais aussi des atomes présents dans ce fameux tableau périodique de Mendeleïev, tels l’hydrogène, l’oxygène, l’azote, le soufre…), cela provoque un transfert d’électron en présence de lumière et crée ainsi un courant électrique. C’est ce que l’on appelle « l’effet photovoltaïque  ».

Textiles solaires

La recherche sur les cellules solaires organiques (photovoltaïque organique de 3e génération) utilisant le fullerène C60 ou l’un de ses dérivés comme accepteur d’électrons a débuté il y a une vingtaine d’années. L’intérêt de cette approche est multiple par rapport aux cellules existantes, basées sur le silicium (cellules photovoltaïques de 1re génération). Contrairement à leurs aînées, les cellules solaires organiques peuvent être mises en œuvre sur un support souple plastique. Moins de 1 gramme du couple de molécules donneur/fullerène est nécessaire pour couvrir 1 m2 de plastique photovoltaïque. Le coût de production est faible : 1 gramme de C60 coûte aujourd’hui moins de 20 euros. L’impact environnemental est lui aussi réduit (dix fois moindre que pour un panneau solaire en silicium). Au terme de leur vie,  il est même possible de les recycler. Comme la plupart des plastiques, le film peut finir dans la poubelle jaune !

Cette nouvelle technologie vise les applications nomades : les téléphones, tablettes et ordinateurs portables, mais aussi les textiles, le mobilier urbain autonome interactif et alimenté par l’énergie solaire, les façades de bâtiments…

Démonstrateur : Production d’électricité à partir d’un film solaire souple.
Démonstrateur : Production d’électricité à partir d’un film solaire souple.
MOLTECH-Anjou en pointe

Plusieurs équipes du laboratoire MOLTECH-Anjou  (UMR CNRS – Université d’Angers) développent des recherches dans ce domaine de rupture. Au sein de l’équipe SOMaF  (Synthèse organique et matériaux fonctionnels), voilà près de 20 ans maintenant que nous étudions la fonctionnalisation de ce nanoballon de football. Ce travail consiste, en utilisant les réactions de la chimie organique, à greffer sur cette sphère d’autres molécules pouvant apporter au C60 de nouvelles fonctionnalités pour des applications diverses.

Ainsi, en collaboration avec des collègues des Universités de Bordeaux et de Montpellier, nous avons par exemple breveté la synthèse et l’application de molécules à base de C60 permettant d’augmenter la durée de vie de ces « cellules solaires plastiques ». La société Armor, localisée près de Nantes, et avec laquelle nous travaillons étroitement, lance aujourd’hui la production pour la commercialisation de tels modules, capables de produire de l’électricité sous éclairement limité et en intérieur, contrairement aux cellules solaires à base de silicium.

La révolution du carbone ne s’arrête pas là ! La découverte des fullerènes a été suivie par celles des nanotubes de forme cylindrique par S. Iijima en 1991, puis du graphène en 2005 grâce à A. Geim et K. Novoselov. Toutes ces nouvelles formes moléculaires constituées uniquement d’atomes de carbone (fullerènes, nanotubes, graphène) annoncent une véritable révolution technologique pour l’électronique du XXIe siècle. Et dire que l’histoire a démarré par une recherche complètement fondamentale sur les molécules que pouvaient contenir les poussières d’étoiles…


À propos de l’auteur

Piétrick Hudhomme est professeur de chimie depuis 1998 au laboratoire MOLTECH-Anjou  de l’Université d’Angers et responsable de l’équipe SOMaF. Sa passion pour la chimie est née grâce à différentes rencontres lors de son cursus universitaire, entamé à Nantes. En 1990, il soutient une thèse sur la synthèse de nouveaux antibiotiques de la famille des céphamycines. Durant son année de stage postdoctoral à l’Université du Sussex (GB), il rencontre Harry Kroto (prix Nobel de chimie en 1996) qui lui raconte la passionnante découverte du C60,
Après avoir été maître de conférences à l’Université de Nantes, Piétrick Hudhomme arrive à Angers en 1998. Il poursuit depuis ses recherches sur les matériaux organiques, en particulier sur le fullerène C60.

En parallèle de son travail d’enseignant-chercheur, il assure, entre autres, la responsabilité du master 2 Lumomat  lancé dans le cadre du projet régional Lumomat dédié à l’électronique et au photovoltaïque organique, alliant recherche, formation et innovation (RFI). Ce master de chimie prépare aux métiers de cette filière émergente à fort potentiel de l’électronique organique.
Convaincu de l’intérêt de faire découvrir les sciences au public, notamment aux plus jeunes, il donne régulièrement des conférences de vulgarisation sur la révolution du carbone, et assure depuis 3 ans la présidence de Terre des Sciences, le plus important Centre de culture scientifique, technique et industrielle des Pays de la Loire.








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