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Cellules Grätzel

         Pour notre expérience, nous avons décidé de fabriquer des cellules Grätzel, système photoélectrochimique qui s'inspire de la photosynthèse végétale pour créer de l'énergie (elles n'ont donc besoin que d'être éclairées afin de créer une tension). Nous avons donc contacté l'Université Pierre-et-Marie-Curie, située à Paris, dans laquelle Maëlys connaît un chercheur et professeur nommé David Kreher qui nous a volontiers envoyé un kit de fabrication de ces cellules (qu'il donne normalement à ses élèves).

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         Les résultats que nous avons obtenus ne sont pas très élevés et ne permettent pas de faire fonctionner une lampe, mais notre expérience n'a pas été réalisée dans des conditions parfaites (et nous ne sommes pas des professionnelles non plus !). Cependant, fabriquées dans un laboratoire et en grande quantité, elles permettent d'alimenter de grands espaces en électricité, comme « The SwissTech Convention Center » (un centre de congrès construite sur le campus de l'Ecole Polytechnique fédérale de Lausanne, à Ecublens, en Suisse). En effet, Solaronix (une société spécialisée dans les cellules solaires à colorant et les équipements de simulation solaire), a décidé de collaborer avec cette école afin de créer la première façade au monde (elle est appelée « the Dye Solar Cell façade ») constituée uniquement de cellules Grätzel, en plusieurs coloris, qui fournissent de l'électricité et qui permettent, en outre, de limiter l'arrivée directe des rayons de soleil dans le bâtiment (ce qui réduit l'utilisation d'air conditionné, et donc du coût).

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        Ces cellules ont été nommées ainsi en l'honneur de leur concepteur, Michael Grätzel, qui a étudié à l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, précédemment évoquée. Leur coût de production est très faible, leur fabrication et leur recyclage sont beaucoup moins polluants que pour des cellules classiques, elles créent de l'électricité même sans ensoleillement direct (voire sous un éclairage faible) et elles sont plutôt minces et transparentes, ce qui permet des utilisations variées. Mais l'électrolyte utilisé est instable (les solvants qui le composent sont volatils et présentent un risque d'évaporation) : il faut donc faire très attention lors de leur fabrication. Cela reste tout de même une innovation majeure dans l'industrie des énergies propres et respectueuses de la nature.

Protocole

Produits et outils à utiliser :

 

- de l'éthanol à 95°

- de la iodolyte AN-50

- du colorant Ruthenizer 535-bisTBA

- une balance électronique précise à 0,01 g près

- une capsule de pesée

- deux béchers

- une pipette jaugée (munie d'une propipette) de 25 mL

- un agitateur en verre

- une boîte de pétri vide

- une pince

- trois électrodes, une grande et deux petites (« Education Cell Titania Electrodes, tranparent »)

- trois contre-électrodes, une grande et deux petites (« Education Cell Platinium Electrodes, drilled »)

- un dessous de plat

- un sèche-cheveux

- une seringue à ventouse

- deux cadres thermocollants correspondant à la taille de chaque électrode

- quatre petits autocollants de verre ronds

- quatre petits patchs thermocollants

- un voltmètre

- une lampe de bureau

Nous manipulons des produits dangereux, donc nous avons pris également des blouses, des lunettes et des gants.

La plupart des produits sont de la marque Solaronix et viennent du kit que le professeur de l'UPMC nous a envoyé. Nous avons ensuite demandé dans les laboratoires de physiques et de SVT du lycée le reste des outils.

1ère étape : Dissolution du colorant synthétique

(Cliquez sur les photos pour les agrandir et voir leurs numéros)

- Peser 10 mg de Ruthenizer 535-Bis TBA à l'aide de la balance électronique et de la capsule de pesée (voir photos n°1, 2 et 3)

Flacon de colorant Ruthenizer 535-Bis TBA (Solaronix)
Flacon de colorant Ruthenizer 535-Bis TBA (Solaronix)
Pesée de 0.01 g de colorant Ruthenizer 535-Bis TBA à l'aide d'une balance électronique et d'une capsule de pesée

- Verser l'éthanol dans un bécher (voir photos n°4, 5 et 6)

Ethanol à 95°
Ethanol à 95° + Bécher
Ethanol à 95° verser dans un bécher

- Verser un peu d'éthanol dans la pipette jaugée afin de la nettoyer (voir photo n°7)

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- Prélever 25 mL d'éthanol avec la pipette jaugée nettoyée munie de la propipette

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Nettoyage d'une pipette jaugée de 25 mL avec de l'éthanol à 95°
Remplissage du bécher avec de l'éthanol à 95° à l'aide d'une pipette jaugée de 25 mL munie d'une propipette

- Verser le liquide dans un bécher (voir photo n°8)

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- Verser le colorant (qui se trouve toujours dans la capsule de pesée) dans le bécher où se trouve l'éthanol (voir photo n°9)

0.01 g de colorant Ruthenizer 535-Bis TBA versé dans un bécher rempli de 25 mL d'éthanol à 95°

- Mélanger la solution avec l'agitateur en verre jusqu'à obtenir un mélange homogène (voir photos n°10, 11, 12 et 13) : la couleur finale doit être violet foncé (voir photo n°14)

Dissolution progressive de 0.01g de colorant Ruthenizer 535-Bis TBA dans 25 mL d'éthanol à 95° (bécher + agitateur en verre)
Dissolution progressive de 0.01g de colorant Ruthenizer 535-Bis TBA dans 25 mL d'éthanol à 95° (bécher + agitateur en verre)
Dissolution progressive de 0.01g de colorant Ruthenizer 535-Bis TBA dans 25 mL d'éthanol à 95° (bécher + agitateur en verre)
Dissolution progressive de 0.01g de colorant Ruthenizer 535-Bis TBA dans 25 mL d'éthanol à 95° (bécher + agitateur en verre)
Résultat final d'une dissolution de 0.01g de colorant Ruthenizer 535-Bis TBA dans 25 mL d'éthanol à 95° (bécher + agitateur en verre)

- Rajouter une peu d'éthanol si nécessaire pour ne pas avoir de solution saturée (il ne doit pas rester de dépôt de colorant au fond, sinon l'expérience marchera moins bien)

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- Laisser décanter la solution pendant 5 min pour que le dépôt se place au fond

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- Verser la solution dans la boîte de pétri vide (la hauteur de la solution doit être supérieure à l'épaisseur des électrodes) (voir photo n°15)

Solution contenant 0.01 g de colorant Ruthenizer 535-Bis TBA dissous dans 25 mL d'éthanol à 95° et versée dans une boîte de pétri vide

2ème étape : Préparation des électrodes (avec le colorant)

- Prendre les électrodes contenant des particules de titanium (voir photo n°16) avec la pince et les poser (partie recouverte de titanium vers le bas) dans la boîte de pétri remplie de colorant (il ne faut pas toucher les parties blanches des électrodes) (voir photos n°17 et 18)

Electrode Solaronix ("Education Cell Titania Electrodes, tranparent")
Pose d'une grande électrode Solaronix ("Education Cell Titania Electrodes, tranparent") dans une boîte de pétri remplie d'une solution contenant une dissolution de 0.01 g de colorant Ruthenizer 535-bisTBA dans 25 mL d'éthanol à 95°
Trois électrodes Solaronix ("Education Cell Titania Electrodes, tranparent") dans une boîte de pétri remplie d'une solution contenant une dissolution de 0.01 g de colorant Ruthenizer 535-bisTBA dans 25 mL d'éthanol à 95°

- Lorsqu'elles ont absorbé le plus de solution possible (nous les avons laissées reposer environ 1h, mais l'idéal serait plutôt d'attendre une nuit entière), les sortir de la boîte de pétri (voir photo n°19)

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- Les poser sur le dessous de plat

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- Les sécher avec le sèche-cheveux (voir photo n°20)

Grande électrode ("Education Cell Titania Electrodes, tranparent") ayant reposé une heure dans une boîte de pétri remplie d'une solution contenant une dissolution de 0.01 g de colorant Ruthenizer 535-bisTBA dans 25 mL d'éthanol à 95°
Séchage (à l'aide d'un sèche-cheveux) d'une grande électrode Solaronix ("Education Cell Titania Electrodes, tranparent") ayant reposé une heure dans une boîte de pétri remplie d'une solution contenant une dissolution de 0.01 g de colorant Ruthenizer 535-bisTBA dans 25 mL d'éthanol à 95°

3ème étape : Assemblage des électrodes et des contre-électrodes

Cadre thermocollant Solaronix correspondant à la taille d'une grande électrode Solaronix ("Education Cell Titania Electrodes, tranparent")

- Prendre les cadres thermocollants dont la taille est égale à celle de la surface des électrodes (voir photos n°21 et 22)

Cadre thermocollant Solaronix correspondant à la taille d'une petite électrode Solaronix ("Education Cell Titania Electrodes, tranparent")

- Coller les cadres sur la bordure, autour de l'endroit où se trouve la partie imbibée de colorant (il ne doit plus y avoir d'espace vide sur les électrodes) (voir photo n°23)

Pose d'un cadre thermocollant Solaronix sur une grande électrode Solaronix ("Education Cell Titania Electrodes, tranparent")

- Coller les contre-électrodes (voir photos n°24 et 25) un peu en décalé sur les cadres thermocollants précédemment posés sur les électrodes et les chauffer à l'aide du sèche-cheveux (voir photo n°26)

Grande contre-électrode Solaronix ("Education Cell Platinium Electrodes, drilled")
Grande contre-électrode Solaronix ("Education Cell Platinium Electrodes, drilled")
Séchage à l'aide d'un sèche-cheveux d'un cadre thermocollant Solaronix qui permet de coller entre elles une grande électrode Solaronix ("Education Cell Titania Electrodes, tranparent") et une grande contre-électrode Solaronix ("Education Cell Platinium Electrodes, drilled")

- Prélever un peu de iodolyte AN-50 (voir photos n°27 et 28)  préalablement versé dans un bécher à l'aide d'une seringue à ventouse (voir photos n°29 et 30)

Flacon de iodolye AN-50
Flacon de iodolye AN-50
Seringue à ventouse Solaronix
Prélèvement de iodolyte AN-50 Solaronix par une seringue à ventouse Solaronix dans un bécher

- Introduire la iodolyte dans les petits trous prévus à cet effet (voir photos n°31, 32, 33, 34 et 35)

Introduction de iodolyte AN-50 Solaronix grâce à une seringue à ventouse Solaronix dans les trous d'une petite contre-électrode Solaronix (« Education Cell Platinium Electrodes, drilled ») collée à petite une électrode Solaronix («  Education Cell Titania Electrodes, tranparent »)
Introduction de iodolyte AN-50 Solaronix grâce à une seringue à ventouse Solaronix dans les trous d'une petite contre-électrode Solaronix (« Education Cell Platinium Electrodes, drilled ») collée à petite une électrode Solaronix («  Education Cell Titania Electrodes, tranparent »)
Introduction de iodolyte AN-50 Solaronix grâce à une seringue à ventouse Solaronix dans les trous d'une grande contre-électrode Solaronix (« Education Cell Platinium Electrodes, drilled ») collée à grande une électrode Solaronix («  Education Cell Titania Electrodes, tranparent »)
Introduction de iodolyte AN-50 Solaronix grâce à une seringue à ventouse Solaronix dans les trous d'une grande contre-électrode Solaronix (« Education Cell Platinium Electrodes, drilled ») collée à grande une électrode Solaronix («  Education Cell Titania Electrodes, tranparent »)
Introduction de iodolyte AN-50 Solaronix grâce à une seringue à ventouse Solaronix dans les trous d'une grande contre-électrode Solaronix (« Education Cell Platinium Electrodes, drilled ») collée à grande une électrode Solaronix («  Education Cell Titania Electrodes, tranparent »)

- Coller les petits thermocollants de verre (voir photo n°36) sur les trous et les recouvrir des petits patchs transparents (voir photos n°37 et 38)

Autocollants de verre ronds Solaronix
Patch thermocollant Solaronix
Autocollants de verre ronds Solaronix surmontés de patchs thermocollants Solaronix sur les trous d'une grande cellule Grätzel formée d'une grande électrode Solaronix ("Education Cell Titania Electrodes, tranparent") et d'une grande contre-électrode Solaronix ("Education Cell Platinium Electrodes, drilled")

- Chauffer les cellules à l'aide d'un sèche-cheveux pour coller les thermocollants précédemment évoqués (voir photo n°39)

Séchage à l'aide d'un sèche-cheveux de thermocollants Solaronix qui permettent de de boucher les trous d'une grandecellule Grätzel constituée d'une grande électrode ("Education Cell Titania Electrodes, tranparent") et une grande contre-électrode ("Education Cell Platinium Electrodes, drilled")

Résultats

Une fois refroidies, nous avons pu mesurer la tension qu'elles produisent lorsqu'elles sont éclairées par une source de lumière. Ainsi, à l'aide d'un voltmètre et d'une lampe de bureau (voir photo n°40), nous avons effectué les mesures suivantes :

Grande cellule Grätzel + Voltmètre + Lampe de bureau

- Grande cellule envoyée par le chercheur en tant qu'exemple (vieille de 6 mois) : photo n°41 (488 mV)

Mesure de la tension produite par une grande cellule Grätzel vieille de 6 mois (488 miliVolt) à l'aide d'un voltmètre et d'une lampe de bureau (éclairage fort)

- 1ère petite cellule que l'on a fabriquée : photo n°42 (506 mV)

Mesure de la tension produite par une petite cellule Grätzel (506 miliVolt) à l'aide d'un voltmètre et d'une lampe de bureau (éclairage fort)
Mesure de la tension produite par une petite cellule Grätzel (407 miliVolt) à l'aide d'un voltmètre et d'une lampe de bureau (éclairage faible)

- Même petite cellule mais moins éclairée : photo n°43 (407 mV)

- 2ème petite cellule que l'on a fabriquée : photo n°44 (496 mV)

Mesure de la tension produite par une petite cellule Grätzel (496 miliVolt) à l'aide d'un voltmètre et d'une lampe de bureau (éclairage fort)
Mesure de la tension produite par une grande cellule Grätzel (350 miliVolt) à l'aide d'un voltmètre et d'une lampe de bureau (éclairage fort)

- Grande cellule que l'on a fabriquée : photo n°45 (350 mV)

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