Photovoltaïque : des cellules organiques bientôt sur nos fenêtres ?

Heliatek, une start-up allemande, a développé de nouvelles cellules photovoltaïques organiques commercialisables. Certes moins efficaces que leurs homologues en silicium, elles présentent des avantages d'exploitation pour contrebalancer ce problème. Légères, souples et semi-transparentes, ces cellules pourraient recouvrir certains bâtiments et même être intégrées dans des vitres.

La course pour le développement de nouvelles cellules photovoltaïques organiques rentables se poursuit activement dans le monde industriel. Mais en quoi diffèrent-elles de leurs homologues en silicium ? Réponse : elles sont souples, légères et leur fabrication ne requiert pas de hautes températures. Les cellules organiques se composent de longs polymères conducteurs pouvant être déposés grâce à un dispositif d’impression utilisant des solvants liquides.

Elles présentent néanmoins deux points faibles : les panneaux produits commercialement ont un rendement de 5 %, bien loin du record atteint en laboratoire (10,6 %), et une durée de vie relativement limitée. Pour rappel, les cellules en silicium commerciales convertissent la lumière en électricité à un taux de 15 % (un record de 40 % a été atteint en conditions expérimentales). L’utilisation des structures organiques se limite actuellement à quelques applications précises et, il faut bien l’admettre, parfois un peu gadget (chargeurs de portable, sacs recouverts de panneaux solaires, etc.).

La start-up allemande Heliatek propose désormais des panneaux photovoltaïques présentant un taux de conversion de seulement 8 %. Pour obtenir un produit rentable dans les années à venir, cette entreprise a dû optimiser la conception, mais aussi les procédés de fabrication de ses cellules. Les avantages liés à leur exploitation permettraient de concurrencer efficacement leurs homologues inorganiques.


Heliatek produit ses panneaux solaires en continu, en déposant des oligomères sur des films de polyester. La technologie employée s'inspirerait de celle utilisée pour fabriquer des écrans Oled. Leurs produits sont légers et flexibles. © Heliatek GmbH/RECKLI GmbH

Les cellules organiques d’Heliatek ne sont pas fabriquées à partir de longs polymères, mais bien d’oligomères. Ces molécules, plus stables dans le temps, sont courtes et pèsent en général moins de 2.000 g par mole. Elles seraient déposées et polymériseraient sous vide, ce qui permet un contrôle précis de l’épaisseur des dépôts, plusieurs couches pouvant être superposées, et surtout d’assurer une uniformité des films produits. Le procédé « à vide » est plus onéreux que l’impression, mais il permet de fabriquer des panneaux en continu (en « roll-to-roll ») sur des films de polyester (les impressions s’effectuent sur des panneaux de verre).

Le rendement actuel de 8 % est faible mais la firme prévoit d’atteindre prochainement 12 % grâce à l’utilisation de cellules fonctionnant en tandem, i.e. les différentes couches superposées pourraient libérer des électrons en réponse à plusieurs longueurs d’onde. Actuellement, les deux couches réagissent au même spectre lumineux mais, affirme l'entreprise, elles compensent cette faiblesse par de bonnes performances lorsque le ciel est couvert, quand la luminosité est faible ou encore lorsqu’il fait chaud. Selon Thibaud de Séguillon, directeur de la start-up, des panneaux placés à Singapour durant un mois auraient été plus rentables que des installations inorganiques conventionnelles.

Le coût de production de ces cellules (rapporté au watt) ne sera pas en mesure de rivaliser avec celui des panneaux inorganiques avant quatre à cinq ans. Cependant, leur utilisation pourrait fortement réduire les coûts de construction de certains ouvrages. Étant souples, légers et résistants dans le temps, les produits d'Heliatek peuvent être déposés sur divers éléments de façade, donc sur de grandes surfaces, sans devoir mettre en place de coûteux systèmes d’ancrage (les panneaux conventionnels s’installent majoritairement sur les toits).

Mais ce n’est pas tout, les nouvelles cellules sont semi-transparentes et laissent passer une certaine quantité de lumière. L’entreprise planche actuellement sur un projet visant à les intégrer dans des vitres qui seraient alors légèrement teintées. Certains bâtiments du futur pourraient donc produire du courant sur toutes leurs surfaces, de quoi se rapprocher un peu plus du rêve des constructions fonctionnant en autarcie énergétique.

Un groupe de chercheurs de l’Ucla, en Californie, annonce avoir créé d'une nouvelle cellule photovoltaïque. Une concrétisation des travaux menés par plusieurs laboratoires dans le monde afin d'améliorer les cellules solaires en polymères transparents. Le but est toujours le même : rendement meilleur pour un coût de fabrication plus bas.

On parle de plus en plus de l’utilisation d'hydrogène comme source d’énergie pour remplacer le pétrole, plus précisément l’essence de nos voitures. Cependant, l’hydrogène n’est pas une source d’énergie primaire, il faut de l’électricité pour en fabriquer de grandes quantités avec de l’eau. On ne fait donc que déplacer le problème. L'enjeu est de trouver une nouvelle source d’énergie. L’une des plus prometteuses est évidemment l’énergie solaire. Pour la convertir en électricité, on a proposé diverses technologies, l'une des plus innovantes serait la photosynthèse artificielle.

Mais celle qui apparaît la plus facile à améliorer pour répondre à la croissance rapide des besoins en énergie de l’humanité est sans doute la cellule photovoltaïque. Pour le moment, les rendements sont encore peu élevés et les coûts de fabrication pas assez bas. Ainsi, les cellules en silicium commerciales n'ont-elles un taux de conversion que de 15 % (un taux record de 40 % a été atteint en laboratoire cependant). Il n’est donc guère envisageable de se passer, à très court terme, du pétrole en utilisant ces cellules, pour de simples raisons économiques.


Deux exemples des nouveaux polymères transparents capables de faire de la conversion photovoltaïque. Ils absorbent l'énergie dans l'infrarouge.

On cherche alors à faire baisser les prix et à augmenter les rendements avec de nouvelles cellules qui ne sont pas basées sur le silicium mais, par exemple, sur des polymères organiques. Des matières plastiques souples sont de bons candidats. On pourrait facilement les plaquer sur diverses surfaces comme des murs de maisons, des voitures, des ordinateurs ou même des coques de téléphones portables.

De fait, la société Wysips (à prononcer ouaïe-sips, pour what you see is a photovoltaic surface, « ce que vous voyez est photovoltaïque ») se propose de commercialiser de telles cellules solaires pour alimenter des téléphones. Cerise sur le gâteau, le polymère utilisé apparaît comme transparent. On est donc en présence d’un des éléments des téléphones du futur, comme le Morph de Nokia.

Bien connue pour, entre autres, ses recherches sur des polymères photovoltaïques transparents, l'équipe de chercheurs dirigée par Yang Yang, de l’université de Californie à Los Angeles, vient encore de frapper. Elle a publié un nouvel article sur les cellules solaires transparentes dans ACS Nano.

Cette cellule photovoltaïque apparaît comme transparente à 70 % dans le visible. Elle absorbe son énergie dans la bande infrarouge avec un taux de conversion de 4 %. C’est encore faible mais si l’on tient compte du fait qu’il faut faire un compromis entre transparence, rendement et prix de fabrication, c’est au final une avancée, selon les chercheurs. Pour fabriquer cette cellule, plusieurs ingrédients ont été nécessaires dont des nanoparticules en dioxyde de titane et des nanofilaments en argent. Il s’agit donc d’une application de la nanotechnologie.

Dans un avenir proche, les fenêtres des maisons et des immeubles seront peut-être recouvertes de ces plastiques transparents, assurant une partie de la production de l'électricité utilisée.