Dossier
Le succès là où personne ne l’attendait

Entretien avec Michaël Graetzel


Les progrès de l’humanité sont souvent le fruit du hasard, sur lequel elle exerce sa curiosité. La manière dont le professeur EPFL Michael Graetzel – aidé par quelques compagnons de route – a découvert sa fameuse cellule solaire nanocristalline en 1991 illustre parfaitement cette idée. Animé avant tout par la curiosité scientifique, le chercheur l’a laissée le guider sans jamais relâcher sa vigilance face aux phénomènes inattendus qui se présentaient sur son chemin. Avec à la clef une manière beaucoup plus économique de produire de l’électricité solaire. Contre le consensus scientifique, tout d’abord, et sans avoir planifié le succès, les travaux du professeur Graetzel ont sans aucun doute contribué au progrès.


Professeur Graetzel, vous êtes mondialement connu pour avoir développé une cellule solaire révolutionnaire. Pouvez-vous nous expliquer la différence entre une cellule photovoltaïque classique et votre cellule solaire?
Dans une cellule classique, on a deux matériaux solides qui sont des semi-conducteurs. Un contient des porteurs de charge positifs (semi-conducteur type p) et l’autre des porteurs de charge négatifs (semi-conducteur type n). On les met en contact et ça crée un champ électrique à l’endroit de la jonction. Ce champ est indispensable pour séparer les porteurs de charge (les paires «électron-trou») qui sont créés par la lumière dans le semi-conducteur et qui, une fois séparés, génèrent le courant électrique de la pile.
La grande différence avec une cellule comme la nôtre, c’est que le solide transforme l’énergie lumineuse et en même temps transporte les porteurs de charge créés par la lumière jusqu’à l’endroit de la jonction. Alors que chez nous toute l’énergie est absorbée par un colorant se trouvant à l’endroit même de la jonction. Il n’y a pas de transport nécessaire pour séparer les charges électriques créées par la lumière. Au contraire d’une cellule classique où le transport nécessite des matériaux très purs, ce qui coûte beaucoup d’énergie. Pour faire un mètre carré de silicium, par exemple, il faut 5 gigajoules, ce qui correspond dans nos contrées à l’exposition de cette surface au soleil pendant 15 ans. Mais surtout, une observation extraordinaire est que malgré les structures nanocristallines on arrive à collecter les charges électriques.

Malgré les structures nano?
Normalement, l’avis des experts à l’époque était qu’il fallait éviter les surfaces rugueuses, tout ce qui n’est pas monocristallin et parfait. Là on a au contraire une structure extrêmement développée.

Pourquoi les experts n’étaient-ils pas d’accord?
Parce que c’est contre-intuitif. Dans le silicium, on a affaire à des jonctions qui sont parfaitement lisses pour éviter tout désordre à l’interface entre les deux matériaux semi-conducteurs, ce qui favoriserait la recombinaison des porteurs de charges créés par la lumière. Alors que d’habitude on évite d’augmenter à tout prix la surface de la jonction, j’ai là des nanostructures qui sont de 1500 fois la surface et je capte tous les électrons qui sont injectés. C’est ça qui a créé la stupéfaction des gens.

Quand cela s’est-il passé?
C’était au début des années 90. On a publié dans Nature en 1991, et une période d’incrédulité a suivi durant laquelle nous avons voyagé avec nos cellules pour les montrer à nos collègues. Je me rappelle encore quand j’étais comme professeur invité à Berkeley où j’avais monté ma propre manipulation. Bon nombre de mes collègues américains me rendaient visite, pour voir si je faisais correctement mes mesures! Parce que les gens qui avaient déjà essayé le même principe de sensibilisation avaient obtenu 10’000 fois moins de courant. Pour des raisons qu’on connaît, la sensibilisation ne marche pas sur une surface lisse. C’est pourquoi un tel système était déclaré inutile et inefficace pour le photovoltaïque, il ne fallait pas travailler là-dessus. J’ai alors donné des électrodes à mes collègues pour tester. Et ça a été la stupéfaction.

Je trouve intéressant cette idée de nager à contre-courant. Comment vous est venue cette piste?
A l’époque on était un des premiers groupes, sinon le premier, à travailler sur les nanoparticules, qu’on appelait les semi-conducteurs colloïdaux. C’était de la recherche fondamentale, de la pure curiosité sur ce qui se passe avec ces nouveaux systèmes. Et on a fait de très bonnes publications, les gens trouvaient ça très intéressant. C’était donc un nouveau domaine très fertile pour la recherche de base.

Aviez-vous un but précis?
C’est la curiosité qui nous a guidés. On ne voulait pas du tout faire une cellule photovoltaïque à l’époque, non. Nous, on s’intéressait simplement au phénomène. On était vraiment enthousiasmés par ces nanoparticules et semi-conducteurs parce qu’on pouvait faire des choses extraordinaires avec les lasers. On pouvait induire une réaction électro-chimique alors que normalement il faut une électrode. On trouvait ça extrêmement intriguant. On a fait beaucoup de publications dans ce domaine avant de se demander si c’était des connaissances véritablement prometteuses pour une application pratique.
En fait, on s’intéressait aux séparations de charge à l’interface, induites par la lumière, parce qu’on a toujours été intrigués par la photosynthèse. Et dans ce contexte on a commencé à s’intéresser à la sensibilisation de ces nanoparticules.
On avait découvert par hasard un colorant qui s’accrochait bien aux nanoparticules, et qui donnait, après excitation avec un laser, une bonne séparation de charge, ce qui permettait d’imaginer récupérer un courant électrique. Or, un de mes doctorants de l’époque, Hans Desylvestro, faisait de la photo-électrochimie et travaillait avec des électrodes en oxyde de titane, la même matière que nous utilisions pour les nano-particules. Je lui ai donc demandé de mesurer le courant qu’il obtiendrait en utilisant ce colorant qui accrochait bien et qui injectait bien. Il essaye et me dit «pas beaucoup, juste quelques micro-ampères.» Comme je suivais la littérature, j’ai compris que c’était beaucoup, des micro-ampères, car les autres avaient des nano, ou même des pico.
Un collègue, le professeur Jan Augustynski de Genève, est venu me rendre visite un jour et je lui ai parlé de nos expériences. Il avait fabriqué des tiges du même matériau mais dont la surface était beaucoup plus rugueuses que les nôtres. Nous avons répété l’expérience avec ses tiges et tout à coup on voyait des milli-ampères! Là, on savait qu’on avait quelque chose d’extraordinaire.
Ensuite, je suis allé comme professeur invité à Berkeley, où j’ai installé ma propre manipulation. A la suite d’une de mes conférences à Chicago, un jeune étudiant, Bryan O’Regan qui faisait son Master à l’Université de Madison, Wisconsin, est venu me voir. Il voulait absolument me montrer quelque chose, il croyait dur comme fer dans notre concept. Il me demande de prendre mes électrodes et un colorant avec moi pour les tester sur ses installations. Je vais lui rendre visite à Madison, on prépare l’expérience pour mesurer le courant, je branche l’électrode et paf ! L’aiguille va tout en haut. Comme je vous l’ai dit, on avait de 1000 à 10’000 fois plus de courant que ce que les gens attendaient. 10’000 fois c’est beaucoup! Nous avons encore fait d’autres essais, mais c’est plus ou moins à ce moment que sont nées les vraies couches nanocristallines.

En fait, il s’agissait surtout d’être attentif.
Pour moi, on n’a pas raté ces phénomènes, c’était la moindre des choses. C’était une question de curiosité qui nous a poussés plus loin et de chance. Celle-ci a voulu que je rencontre d’abord M. Augustynski, qui nous a donné des électrodes beaucoup plus développées, et ensuite ce jeune homme aux États-Unis, M. O’Regan, le co-auteur de la publication dans Nature, qui m’a mené à aller avec lui sur une autre piste devenue la piste mondiale la plus recherchée maintenant. C’est une histoire qui a abouti.
Et ça a créé tout un nouveau front de recherches de base. Outre les cellules solaires, il y a d’autre propriétés intéressantes de ces jonctions nanocristallines. On a développé par exemple des batteries au lithium à haute puissance. Ou encore les affichages électrochromes, les capteurs, et d’autres choses. C’est un domaine très porteur qui nous a apporté plusieurs millions de fonds pour la recherche
C’est donc comme ça que sont nées ces cellules. C’est ainsi que se passe la recherche. Il est rare que l’on aille directement au but pendant la genèse d’une invention. Il y a d’abord toute une série d’expériences de base dictées par la curiosité et surtout l’observation d’un phénomène inhabituel. C’est là où le chercheur doit pouvoir faire attention. S’il rate ça, il ne découvre rien! On doit avoir un œil pour des effets qui sont extraordinaires, sinon on ne peut pas faire de la recherche.

C’est à ce moment-là que votre carrière a pris un tournant décisif ? Vous avez été reconnu?
Absolument. Mais c’est la curiosité de chercheur qui nous a amenés sur ce chemin. Ce n’était pas un top-down order: «maintenant on va travailler sur les cellules photovoltaïques». On ne peut pas programmer le succès, il faut laisser les chercheurs travailler. Nous on avait les connaissances, on suivait la littérature, pour ensuite profiter de ces découvertes. Mais pendant longtemps ce n’était que de la recherche de base. On s’intéressait à ces phénomènes qui sont à la base de la photosynthèse naturelle.
A l’époque, j’ai connu un prix Nobel, Melvin Calvin, qui était « le père de la photosynthèse ». Il avait découvert le mécanisme du cycle d’assimilation du dioxide de carbone par les plantes, le cycle de Calvin. C’était un tout grand monsieur, aujourd’hui décédé. A l’époque c’était «le vieux» de la photosynthèse aux États-Unis. Et moi j’étais dans un institut qui portait son nom alors qu’il était encore vivant! J’étais dans le Calvin Institute, et monsieur Calvin suivait nos travaux et nous encourageait. Il m’a invité un jour à lui donner une conférence en privé dans son bureau. Avec mes plaques, je lui ai montré comment le courant sortait, et il était enthousiasmé! Il voyait là l’équivalence entre ce système et le système de la photosynthèse.

Comment vous sentiez-vous à ce moment-là?
Superbement bien, bien sûr. C’était un des meilleurs moments de ma vie, sans doute. Imaginez : avoir l’intérêt et surtout le respect – j’étais beaucoup plus jeune que maintenant – d’un monsieur qui est prix Nobel, dont j’avais lu tous les livres, qui faisait figure de père pour moi!
Donc quelqu’un qui était connu comme très critique, très dur, nous accueillait dans son bureau avec chaleur, presque une admiration pour ce qu’on avait fait. Qu’est-ce qu’on veut de plus comme chercheur? (rire)

Ces cellules étaient-elles celles qu’on peut voir aujourd’hui?
C’était encore des cellules pour la recherche. Pas encore quelque chose qu’on pouvait mettre sur les toits pendant 20 ans. C’est là où le vrai travail a commencé, pour vendre des choses stables, efficaces. De nombreuses personnes ont énormément aidé, nos partenaires industriels notamment. Et aujourd’hui c’est à ces personnes aussi que je rends grâce.

Comment êtes-vous entré en contact avec l’industrie?
A l’époque, la publication dans Nature a fait beaucoup de bruit. C’était une grosse publicité. Donc l’industrie s’est assez tôt intéressée à ces phénomènes. Mais c’était plutôt malencontreux…

Pour qui était-ce malencontreux?
Pour le chercheur, qui a quand même besoin de temps. Car il faut d’abord que la découverte se consolide, faire de longs tests. C’est normal. Mais nous avons tout de suite été en contact avec l’industrie, et ça nous a mis très tôt devant des exigences pratiques. On n’a pas eu de période de grâce où on peut voir, après cinq ans par exemple, ce que ça donne.

Vous le regrettez?
Absolument pas. Je ne regrette rien. C’est pas toujours commode, mais c’est normal.

Vous avez étudié la chimie. Qu’est-ce qui vous plaît tant dans cette science?
Je m’étais inscrit en physique dans une autre université pour la chimie. Et j’avais toujours hésité entre la physique et la chimie. Maintenant je fais de la chimie physique, j’y suis toujours. C’est quand même une science fascinante! Les processus de la vie, le métabolisme, tout ça c’est de la chimie. Par curiosité je me suis intéressé à la chimie, parce que ça m’a donné beaucoup d’information sur la nature. Mais ce n’était qu’une partie des études. La chimie est une science où il faut aussi travailler avec ses mains et pas seulement avec la tête.
J’ai toujours aimé les manipulations. J’adore faire des expériences, je trouve que les profs devraient en faire tout le temps. Pour être toujours en contact avec le laboratoire et être à la toute première place. Parce que la tâche la plus noble d’un chercheur est finalement de voir ce qui se passe.

Le progrès signifie-t-il quelque chose à vos yeux?
Le progrès… C’est sûr que nous, les chercheurs, avons contribué par nos connaissances à la société qui nous nourrit. Ce qu’il ne faut pas oublier non plus. Oui, la connaissance en soi a une valeur.
Mais si en plus on peut contribuer à la société en s’attaquant à des problèmes comme par exemple l’approvisionnement en énergie, la pollution, les maladies, ça devient vraiment très satisfaisant pour le chercheur. On forme des gens, mais il y a aussi des résultats palpables qui peuvent être appliqués. On voit finalement que c’est quelque chose qui va perdurer pour les générations futures. C’est là où se trouve la grande satisfaction du chercheur: la pérennité.
Chaque chercheur a une certaine chance, il n’est pas nécessaire d’avoir trouvé des résultats extraordinaires. La pérennité est assurée par la valeur des résultats qu’on publie. Il n’est pas du tout obligatoire qu’on soit extrêmement connu. Ça peut venir.

Connu, vous l’êtes. Quel est le prix dont vous êtes le plus fier?
La médaille de Paris, je crois, parce que j’ai beaucoup d’admiration pour Michaël Faraday, un physicien extraordinaire.
Mais c’est difficile à dire, il ne faut pas se leurrer. Nous, on doit défendre l’excellence de la recherche de base, le génie de l’inventeur et la liberté de la recherche.

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