La nanocellulose traitée avec un colorant à l'oignon rouge offre une protection UV efficace pour les cellules solaires
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Des chercheurs de l'Université de Turku, en Finlande, ont étudié l'utilisation de matériaux biosourcés pour produire des films de protection UV efficaces pour les cellules solaires. L'étude , publiée dans ACS Applied Optical Materials , est la première à comparer l'évolution des propriétés de différents filtres UV biosourcés au fil du temps.
Les cellules solaires sont sujettes à la dégradation induite par les UV et sont le plus souvent protégées contre celle-ci par des films à base de pétrole, tels que ceux en polyfluorure de vinyle (PVF) et en polyéthylène téréphtalate (PET).
La recherche en ingénierie des matériaux vise à trouver des alternatives aux plastiques dérivés du pétrole à partir de matériaux biosourcés , dont la nanocellulose. Cette dernière est obtenue en décomposant la cellulose en fibres nanométriques, qui peuvent ensuite être traitées de différentes manières pour obtenir une protection UV.
Une étude récente menée par les universités de Turku et d'Aalto en Finlande, ainsi que par l'université de Wageningen aux Pays-Bas, a révélé que la nanocellulose teintée à l'extrait de peau d'oignon rouge offre une protection UV très efficace. Le film de nanocellulose a protégé 99,9 % des rayons UV jusqu'à 400 nanomètres. Ce filtre UV a même surpassé le filtre UV commercial à base de PET, sélectionné pour l'étude comme référence du marché.
« Les films de nanocellulose traités avec un colorant à base d'oignon rouge sont une option prometteuse dans les applications où le matériau de protection doit être d'origine biologique », explique le chercheur doctorant Rustem Nizamov de l'Université de Turku.
L'étude a comparé la durabilité et les propriétés de quatre types de films protecteurs fabriqués à partir de nanofibres de cellulose. Les films de nanocellulose ont été traités respectivement avec de l'extrait d'oignon rouge, de la lignine et des ions fer, dont les propriétés anti-UV ont été démontrées lors de recherches antérieures. Le film traité à l'extrait d'oignon rouge s'est avéré le plus efficace pour bloquer les rayons UV.
Le doctorant Rustem Nizamov observe des cellules solaires à colorant en laboratoire. Crédit : Väinö Anttalainen
Préserver la transmission de la lumière visible
Le rayonnement UV (en dessous de 400 nm) est nocif pour les cellules solaires, mais la transmission de la lumière visible et en partie de la lumière infrarouge (en particulier entre 700 et 1 200 nm) est importante, car les cellules solaires transforment ce rayonnement en électricité.
Le développement de matériaux biosourcés implique souvent un compromis entre protection UV et transmission de la lumière dans le visible. Par exemple, la lignine, un polymère naturel connu pour ses propriétés d'absorption des UV, présente une couleur brun foncé qui limite son utilisation dans les films transparents.
Le film traité au colorant rouge oignon s'est avéré une solution intéressante, avec une transmission lumineuse supérieure à 80 % aux longueurs d'onde plus longues (650–1 100 nanomètres). Il a également conservé ses performances tout au long de la longue période d'essai.
La durabilité et les performances des filtres ont été testées sous lumière artificielle pendant 1 000 heures, soit l'équivalent d'environ une année d'ensoleillement en plein air sous le climat d'Europe centrale. L'évolution visuelle des matériaux filtrants et des cellules solaires a été observée par photographie numérique.
« L'étude a souligné l'importance des tests à long terme pour les filtres UV, car la protection UV et la transmission lumineuse des autres filtres biosourcés ont considérablement évolué au fil du temps. Par exemple, les films traités aux ions fer présentaient une bonne transmission initiale, qui a diminué avec le temps », explique Rustem Nizamov.
Les films filtrants UV ont été testés sur des cellules solaires à colorant, car elles sont particulièrement vulnérables à l'usure induite par le rayonnement UV.
« Ces résultats sont également pertinents pour la protection UV d'autres types de cellules solaires, notamment les cellules photovoltaïques à pérovskite et organiques, ainsi que pour toute application où l'utilisation d'un filtre UV biosourcé est primordiale », précise Rustem Nizamov.
À l’avenir, la vision des chercheurs est de développer des types de cellules solaires biodégradables et pouvant être utilisées comme sources d’énergie pour des capteurs, par exemple dans les emballages alimentaires.
« L' industrie forestière s'intéresse au développement de nouveaux produits de haute qualité. Dans le domaine de l'électronique, il peut également s'agir de composants pour cellules solaires », explique Kati Miettunen, professeure en génie des matériaux.