Un soleil composé de cellules solaires colorées a fourni de l’électricité à l’Exposition Universelle 2015 de Milan. Des cellules à colorant trans­parentes ornent la façade du nouveau centre des congrès de l’EPFL et le hall de départ de l’aéroport de Genève. Michael Grätzel, professeur à l’EPFL depuis 1977, est l’inventeur de cette technologie révolutionnaire.

Conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique: cellules solaires à colorants rouges et orange.

En mai 2015, Michael Grätzel a célébré son 71e anniversaire à l’Exposition Universelle de Milan, où il a apprécié son gigantesque cadeau: 80 modules de cellules solaires à colorant, disposés en forme de soleil au point culminant de l’exposition, preuve bien visible que les cellules dites de Grätzel ont maintenant réussi leur transition du laboratoire à l’application pratique. «Ces panneaux sont non seulement magnifiques, mais aussi très convoités», raconte ce professeur de chimie physique à l’EPFL.

L’idée de produire de l’énergie solaire à partir de colorant a germé dans l’esprit de Michael Grätzel il y a plus de 25 ans; c’est en 1992 qu’il a fait breveter son invention. Celle-ci est inspirée par les plantes, dont la chlorophylle absorbe la lumière et permet la photosynthèse. Dans les cellules solaires traditionnelles, un semi-conducteur, généralement du silicium, transforme la lumière solaire en électricité. Les cellules de Grätzel sont constituées de plusieurs couches. Un colorant organique capte la lumière et libère des électrons, qui passent à travers une couche poreuse de minuscules particules de dioxyde de titane pour atteindre l’électrode négative. Une couche de verre conducteur recouverte d’une fine couche de graphite ou de platine qui agit comme catalyseur sert d’électrode positive. Une expérience scolaire montre ainsi comment on peut produire assez d’électricité pour un petit ventilateur à partir de jus de framboise.

 «Il existe beaucoup de rouges pour nos cellules solaires», révèle Michael Grätzel. En revanche, le développement de matériaux verts et bleus pour une utilisation industrielle à grande échelle s’avère plus compliqué. «Nous y travaillons actuellement.» Bien qu’ayant dépassé l’âge de la retraite, ce chimiste continue à mener ses recherches pour l’EPFL en accord contractuel avec la direction de l’école, mais sans salaire. «A partir du moment où l’on n’est plus compétitif, il faut profiter du reste de ses jours en jouissant de la retraite. Mais ce moment n’est pas encore arrivé pour moi», précise-t-il.

En 2015, le «King Faisal International Science Award» est venu s’ajouter à ses nombreuses récompenses, assorti de généreux fonds de recherche pour un nouveau projet. «Si j’abandonnais maintenant, ce serait aussi une grosse déception pour mes collaborateurs et nos sponsors, ainsi que pour nos partenaires industriels», affirme Michael Grätzel, dont les travaux ont été cités plus de 164 000 fois dans le monde entier. Il fait ainsi partie des dix chimistes les plus cités au monde selon un classement international.

Du courant même sous une lumière diffuse

Les avantages de son invention: les cellules de Grätzel sont peu coûteuses à produire, elles convertissent la lumière même indirecte et diffuse et elles peuvent être apposées sur des panneaux souples. Leur faible degré d’efficacité et leur manque de stabilité à long terme restent en revanche problématiques, mais des améliorations à cet égard ont vu le jour au fil du temps, si bien que leur utilisation est devenue rentable. C’est donc un soleil de cellules à colorant d’une capacité de près de 16 kilowatts qui ornait le pavillon autrichien à l’Exposition Universelle de Milan. Les panneaux qui le composaient ont été produits par «Glass 2 Energy» (G2E), une start-up suisse, créée en 2011, qui se spécialise dans l’encapsulation des modules dans du verre, ce qui leur garantit une durée de vie plus longue. En 2013, Glass 2 Energy avait déjà installé des cellules solaires semblables à celles de l’Exposition sur une balustrade de l’aéroport de Genève. «Lorsque je vois ces panneaux sur le chemin de la sécurité avant de partir, cela me remplit de fierté», avoue Michael Grätzel, qui voyage beaucoup. En automne 2015, il s’est rendu en Corée du Sud, où une entreprise a également commencé à produire des panneaux de colorant transparents. Mais c’est la société suisse Solaronix, fondée en 1993 en tant que spin-off de l’EPFL, qui a acquis une des premières licences pour l’application de cette technologie solaire. Solaronix a fait sensation lorsqu’elle a monté 65 colonnes de cellules solaires rouges, vertes et orange sur la façade ouest du SwissTech Convention Center, le nouveau centre des congrès de l’EPFL.

Cette installation, qui culmine à 15 mètres de hauteur sur 36 mètres de largeur, diffuse une lumière chaleureuse dans l’immense hall d’entrée, tout en le protégeant en cas de fort ensoleillement. «Cette technologie est à la pointe du progrès lorsqu’il s’agit d’intégrer des cellules solaires à la verticale dans un bâtiment tout en laissant filtrer une partie de la lumière», explique Michael Grätzel. Par rapport aux cellules classiques en silicium, son rendement énergétique est d’environ 50% supérieur, car les panneaux transparents convertissent bien la lumière même s’ils ne sont pas alignés vers le soleil de manière optimale ou si le rayonnement est diffus. Grâce aux cellules à colorant, le centre des congrès escompte une production annuelle d’électricité de 8 000 kilowattheures.

En outre, les cellules de Grätzel s’avèrent idéales pour les utilisations mobiles, par exemple sous forme de film sur un sac à dos pour recharger un téléphone portable. Orné d’une croix suisse, le «Gratzel Solar Backpack», a été inventé et commercialisé par une société galloise. Le fabricant de périphériques informatiques Logitech vend des claviers solaires alimentés par la lumière ambiante. «Le marché de l’électronique portable a l’air particulièrement prometteur», constate l’inventeur. «Mais pour les façades, il est difficile d’augmenter la capacité de production.» L’automatisation nécessaire exige d’investir des millions, mais le scientifique estime qu’ils seraient amortis si l’énergie solaire se généralisait dans le monde entier, même dans un secteur de niche.

Quand la science rencontre le classique

Michael Grätzel est ravi que son invention soit appliquée, mais sa véritable passion reste la science: «La soif de connaissances et de découverte de nouveautés est ce qui anime chaque chercheur», dit-il. Il faut rester curieux, mais aussi savoir bien observer et évaluer correctement les résultats des essais. «On ne peut pas ignorer l’imprévu», assure-t-il pour définir sa recette du succès, sinon c’est quelqu’un d’autre qui fait la découverte. Son arrivée à Lausanne il y a plus de 35 ans a été un hasard, mais aussi une aubaine. Né en Saxe, il a étudié à Berlin, où il souhaitait d’ailleurs rester après un séjour aux États-Unis, lorsqu’un poste de professeur lui offrant les meilleures conditions de travail s’est libéré à l’EPFL. Le jeune chercheur a donc fait ses valises, appris le français en quelques mois et n’a plus quitté la haute école, malgré une nomination ultérieure dans une haute école de son ancien pays d’adoption.

Michael Grätzel a une autre passion dont il aurait bien fait son métier: la musique. Jeune, déjà, il se distinguait par son talent au piano. «Il m’est même arrivé une fois de donner un concert», se souvient-il. «J’ai conservé l’affiche sur laquelle figure mon nom.» Il ne regrette toutefois en rien une carrière de pianiste: «mon frère Matthias est chanteur d’opéra», raconte le scientifique. Il est donc bien conscient des difficultés posées par la vie de musicien et de la concurrence qui y règne. Pour un pianiste, c’est même encore plus difficile que pour une personne dotée d’une belle voix. «C’est un don du ciel que l’on peut exploiter, alors que presque toute personne sensible à la musique peut apprendre à jouer du piano.» Dans son temps libre, il accompagne encore un violoniste au piano.

Son invention l’occupe également à la maison: dans son verger, il a installé les mêmes panneaux qui fournissaient en électricité les véhicules électriques à l’Exposition de Milan. Avec l’énergie solaire produite, ce professeur de l’EPFL souhaite charger sa voiture électrique. Malheureusement, ce projet a pris du retard, révèle-t-il, parce que les cellules de Grätzel de son verger ne devraient pas fonctionner avec du colorant rouge facile à fabriquer: «je voulais des panneaux verts, mais il n’y avait pas suffisamment de couleur verte.» Il reste donc encore beaucoup à faire pour le chercheur.