L'éponge de TiO2 de Grätzel a permis à une monocouche de colorant d'obtenir une cellule solaire à 7 %

En 1991, l'article de Nature s'ouvrait sur un chiffre brutal : l'électricité produite par les cellules solaires commerciales coûtait environ dix fois plus cher que la production conventionnelle. La sensibilisation par colorant était une idée ancienne — la chlorophylle sur une électrode d'oxyde de zinc avait montré une conversion photon-électricité au début des années 1970 — mais une électrode plane ne retient qu'une seule monocouche de colorant, qui absorbe environ 1 % de la lumière incidente. L'approche entière semblait sans espoir.

Brian O'Regan et Michael Grätzel, qui avaient commencé ces travaux ensemble à l'UC Berkeley en 1988, ont changé la géométrie plutôt que la chimie. Ils ont fabriqué un film optiquement transparent de 10 µm constitué de particules de dioxyde de titane de quelques nanomètres de diamètre, frittées en une éponge d'une surface environ 1 000 fois supérieure, et ont revêtu sa surface interne d'une monocouche unique de colorant à transfert de charge. Cette seule couche moléculaire captait désormais 46 % du flux d'énergie solaire incident, injectait des électrons dans la bande de conduction du TiO2 avec un rendement photon-courant supérieur à 80 %, et était régénérée par un électrolyte à base d'iodure.

La cellule convertissait 7,1 à 7,9 % de la lumière solaire simulée — un chiffre commercialement réaliste pour 1991 — et 12 % de la lumière du jour diffuse, maintenait des courants supérieurs à 12 mA/cm², et survivait à au moins cinq millions de cycles sans décomposition. Parce que les électrons circulent dans la bande de conduction du volume plutôt qu'à travers les surfaces de jonction, le semi-conducteur pouvait être de faible pureté et bon marché : la formulation même de l'article décrivait une cellule « créée à partir de matériaux de pureté faible à moyenne par des procédés à bas coût ».

Séparer l'absorption de la lumière du transport des charges

Le photovoltaïque au silicium s'excluait lui-même de la production de masse parce que les cristaux ultra-purs et le traitement de qualité jonction dominaient les coûts ; la cellule à colorant était conçue pour tolérer des matériaux bon marché et imparfaits.

Le goulot d'étranglement était l'absorption, non la chimie : une monocouche ne capte qu'une quantité limitée de lumière, aussi une multiplication par mille de la surface a corrigé deux décennies d'échec sans nouveau colorant.

La séparation des charges se produit à l'instant où le colorant injecte un électron dans la bande de conduction du TiO2, avant la recombinaison — la physique qui permet à un dispositif moléculaire de rivaliser avec une jonction p–n.

L'électrolyte à base d'iodure restaure continuellement le colorant décoloré, si bien que la stabilité provenait de la chimie de régénération : cinq millions de cycles par molécule au lieu d'une photodégradation.

Lorsqu'un composant est coûteux ou fragile, il faut dissocier sa fonction de celle de la structure : une couche d'une molécule absorbe, un volume bon marché conduit. La rugosité à l'échelle nanométrique transforme cette dissociation en dispositif.

L'article de 1991 est devenu l'un des plus cités en photovoltaïque (27 000 citations sur la page même de Nature) et a donné naissance à un domaine mondial des cellules de Grätzel. Il n'a pas supplanté le silicium dans les centrales électriques — la stabilité de l'électrolyte et la durée de vie de 25 ans exigée pour l'intégration au bâtiment sont restées difficiles, si bien que les cellules DSSC commerciales se sont installées dans des niches comme les chargeurs portables et pour lumière intérieure. Son héritage le plus profond est architectural : les cellules solaires à pérovskite, la technologie photovoltaïque la plus rapidement améliorée des années 2010, ont commencé comme des « colorants » à pérovskite appliqués sur la même éponge de TiO2 mésoporeuse.