Des scientifiques finlandais ont récemment développé un nouveau matériau biosourcé qui pourrait prolonger la durée de vie des cellules solaires et réduire la dépendance aux plastiques issus du pétrole. Une équipe dirigée par l'Université de Turku en collaboration avec l'Université Aalto et l'Université de Wageningen a démontré que les films de nanocellulose incorporant de l'extrait de peau d'oignon rouge sont supérieurs aux films protecteurs traditionnels en polyéthylène téréphtalate (PET) en termes de protection UV.
Les cellules solaires se détériorent progressivement après exposition au rayonnement ultraviolet, endommageant la couche d'électrolyte, comme dans les cellules sensibilisées aux colorants. À cette fin, les fabricants utilisent souvent des revêtements polymères tels que le fluorure de polyvinyle (PVF) ou le PET pour la protection, mais ces matériaux sont dérivés de combustibles fossiles et ne se dégradent pas facilement. L’objectif de cette recherche est de déterminer si les matériaux renouvelables à base de cellulose peuvent obtenir le même effet protecteur.
L'équipe de recherche a choisi la nanocellulose comme base, a fabriqué un film en extrayant des fibres à l'échelle nanométrique et l'a traité avec des absorbeurs UV naturels (notamment de la lignine, des ions de fer et de l'extrait de pelure d'oignon rouge). Tous trois avaient auparavant le potentiel de bloquer les rayons UV, mais cette étude est la première à mener une comparaison systématique à long terme.
Les résultats ont montré que les films incorporant de l’extrait de peau d’oignon rouge étaient les plus performants. Des tests ont montré que le film peut bloquer 99,9 % des rayons ultraviolets inférieurs à 400 nanomètres, tout en conservant plus de 80 % de la transmission lumineuse dans la bande de 650 à 1 100 nanomètres. Le maintien d’une transmission élevée de la lumière visible et de la lumière proche infrarouge est crucial pour la production d’énergie solaire.
Les chercheurs ont placé la cellule solaire sensibilisée par un colorant sous le film et l'ont exposée à la lumière du soleil artificielle pendant 1 000 heures (environ l'équivalent d'un an d'ensoleillement extérieur en Europe centrale), et ont continué à observer les performances et l'apparence du film et de la batterie. En conséquence, le film de peau d'oignon rouge n'a montré qu'une légère décoloration et a essentiellement conservé ses propriétés optiques, protégeant efficacement la batterie à tout moment. En revanche, la membrane traitée avec des ions fer peut bien transmettre la lumière au début, mais se dégrade ensuite rapidement. Bien que la membrane de lignine ait une forte capacité de blocage des UV, elle a une couleur plus foncée, ce qui affecte considérablement la transmission de la lumière visible.
Rustem Nizamov, doctorant à l'Université de Turku, a déclaré que les tests à long terme ont révélé des différences significatives dans la stabilité des diverses membranes biosourcées. "Cette étude met en évidence l'importance des tests à long terme des filtres UV. D'autres filtres biosourcés présentent des changements évidents en termes de protection UV et de transmission de la lumière au fil du temps."
La recherche se concentre sur les cellules solaires sensibilisées aux colorants, particulièrement sensibles à la dégradation par les UV. L’équipe a souligné que les résultats sont applicables aux technologies pérovskites et photovoltaïques organiques. Ces cellules solaires de pointe nécessitent également une protection fiable contre les UV et reposent actuellement sur des plastiques non dégradables. Les films protecteurs fabriqués à partir de déchets végétaux, tels que les pelures d'oignons, sont non seulement durables, mais offrent également des avantages en matière de durabilité.
La recherche s'inscrit dans le cadre des efforts déployés par l'industrie finlandaise des forêts et des matériaux pour développer des produits à valeur ajoutée à partir de ressources naturelles. Kati Miettunen, professeur de génie des matériaux à l'Université de Turku, a souligné que l'industrie forestière espère développer de nouveaux produits à haute valeur ajoutée, qui devraient également devenir des composants clés dans le domaine électronique, comme les cellules solaires.
L'équipe envisage qu'à l'avenir, ce matériau entièrement biodégradable pourrait être utilisé dans des produits où le recyclage n'est pas possible, comme des capteurs jetables ou des emballages intelligents. Le remplacement de la couche protectrice à base de pétrole par de la nanocellulose enrichie de pigments naturels favorise non seulement le développement durable de la technologie de l'énergie solaire, mais contribue également à élargir les scénarios d'application.
La recherche a été soutenue par le projet BioEST financé par le Conseil finlandais de la recherche et les résultats ont été publiés dans la revue ACS Applied Optical Materials.