Alimenter les appareils électroniques grâce à la lumière artificielle

Ces dernières années le nombre d’appareils électriques par ménage a augmenté de façon importante. Bien que la domotique et l’Internet des objets offrent des solutions d’économie d’énergie, certains les utilisent à d’autres fins et représentent de fait des sources de consommation électrique supplémentaires. L’utilisation quotidienne de ces nouvelles technologies peut donc alourdir la facture d’électricité, un problème qui préoccupe des chercheurs du INAMORI Frontier Research Center et du Department of Applied Chemistry de l’Université impériale de Kyūshū à Fukuoka, au Japon.

Pour réduire la demande au réseau électrique, l’équipe a créé un appareil qui produit et fournit de l’électricité grâce à la lumière. Contrairement à ce que peut laisser croire le moyen de production d’énergie, l’appareil n’est pas destiné à être exposé aux rayons solaires. Bien au contraire il est conçu dans le but d’être utilisé à l’intérieur, car il est capable de convertir la lumière ambiante, voire même la lumière artificielle, en énergie électrique. L’appareil est muni de cellules photovoltaïques organiques.

Les cellules photovoltaïques organiques

Ce type de cellules se composent d’au moins une couche active, fabriquée à partir de molécules organiques. Les chercheurs ont indiqué que ces cellules fonctionnent plus efficacement sous éclairage artificiel intérieur que sous la lumière du soleil. À ce propos, il est important de remarquer que les records de rendements des cellules organiques avoisinent les 15 %, alors que les cellules à base de silicium par exemple offrent un rendement de 24 %. Par ailleurs, en plus de leur faible impact environnemental, leurs coûts de fabrication industrielle est moindre que celui du photovoltaïque inorganique. L’augmentation du rendement des cellules organiques représente de fait un défi technologique considérable.

Le mode de fonctionnement de ces cellules est semblable à celui des cellules à base de matériaux inorganiques. Les cellules organiques transforment la lumière en électricité par l’effet photovoltaïque, dont l’efficacité est tributaire de la structure du matériau. C’est pourquoi l’optimisation des polymères utilisés dans la fabrication de la couche active de la cellule organique participe à améliorer le taux de conversion de l’énergie.

Fabrication et tests

Grâce à de petites molécules appelées BDT-2T-ID prétraitées dans une solution, l’équipe a amélioré considérablement le rendement des cellules. Pour tester leur efficacité, les chercheurs ont conçu six modules connectés en série, dont la surface active mesuraient environ 10 cm². Les tests ont prouvé que les cellules atteignaient un taux de conversion supérieur à 16 % sous éclairage DEL blanc. Elles offrent notamment des densités surfaciques de puissance (la quantité moyenne d’électricité produite par rapport aux surfaces des cellules pendant une période bien déterminée) élevées, allant de 12,4 à 65,3 µWcm^-2 lorsque l’éclairement de la surface des cellules varie de 200 à 1000 lx. Même sous un faible éclairage de 200 lx, les cellules sont capables de générer environ 4,2 volts. Bien que la technologie ne soit pas encore au point, ces résultats indiquent que ces cellules peuvent être utilisées comme sources d’énergie électrique intérieures pour alimenter les appareils électroniques autonomes.

L’étude, intitulée « High-Performance Organic Energy-Harvesting Devices and Modules for Self-Sustainable Power Generation under Ambient Indoor Lighting Environments », a été publiée dans ACS Applied Materials & Interfaces le 21 février 2019. Elle a été coécrite par Ryota Arai, Seiichi Furukawa, Yu Hidaka, Hideaki Komiyama, et Takuma Yasuda.