Des chercheurs du Fraunhofer ISE et de l’Université de Fribourg ont fabriqué des modules photovoltaïques organiques semi-transparents affichant un rendement de conversion allant jusqu’à 9,26 %, pour une transmission moyenne de la lumière visible de 43,2 %. Surtout, leur fabrication repose sur des procédés déjà utilisés dans l’industrie et susceptibles d’être déployés sur de plus grandes surfaces.
Produire de l’électricité tout en laissant passer la lumière : telle est la promesse des modules photovoltaïques organiques semi-transparents. Cette technologie pourrait trouver sa place dans les façades vitrées, les serres agricoles, les toitures de véhicules ou encore certaines installations agrivoltaïques.
Le Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE annonce avoir franchi une nouvelle étape vers leur industrialisation. Avec l’Université de Fribourg et plusieurs partenaires industriels, ses chercheurs ont réalisé des modules organiques de 14,5 × 14,5 cm, soit une surface active de 210,25 cm².
Les meilleurs prototypes atteignent un rendement de conversion de 9,26 %, associé à une transmission moyenne de 43,2 % dans le spectre visible. Leur efficacité d’utilisation de la lumière, ou LUE (Light Utilization Efficiency), s’élève ainsi à 4 %. Cet indicateur permet de mesurer le compromis entre la production électrique et la transparence du module.
Des procédés compatibles avec une production à grande échelle
Le principal intérêt de ces travaux ne réside pas uniquement dans les performances obtenues. Les chercheurs ont employé une combinaison de pulvérisation cathodique — ou sputtering — et d’enduction par filière plate, également appelée slot-die coating. Ces deux procédés sont déjà éprouvés industriellement et peuvent être adaptés à la fabrication de modules de plus grandes dimensions.
« Le passage à de plus grandes surfaces constitue l’un des principaux défis du photovoltaïque organique », souligne Uli Würfel, responsable du département Photovoltaïque organique et pérovskite du Fraunhofer ISE. Les bonnes performances obtenues sur de petites cellules réalisées en laboratoire sont en effet souvent difficiles à reproduire lors du changement d’échelle.
L’équipe indique être parvenue, pour la première fois, à déposer par enduction l’ensemble des couches concernées avec une perte de performances pratiquement inexistante. L’électrode arrière est, quant à elle, appliquée au préalable par pulvérisation cathodique.
Chaque module rassemble plus de 100 cellules interconnectées grâce à une structuration laser. Celles-ci comprennent une électrode arrière réfléchissant la lumière proche infrarouge, une couche absorbante constituée de semi-conducteurs organiques et une électrode supérieure sans métal, réalisée en polymère PEDOT.
Le partenaire Heraeus Epurio a spécialement développé une nouvelle formulation de ce polymère afin d’améliorer la transparence des modules.
Des modules souples résistants aux flexions
L’enduction par filière plate est également compatible avec les procédés de fabrication en continu de type rouleau-à-rouleau. Elle peut donc être utilisée pour produire des modules solaires sur des films souples.
Dans le cadre du projet, les chercheurs ont ainsi fabriqué de premiers modules photovoltaïques organiques flexibles. Ceux-ci ont conservé 100 % de leur rendement initial après 1 274 cycles de flexion autour d’une tige de 15 mm de diamètre. Les films employés pour ces essais ont été produits par l’entreprise ROWO Coating.
La prochaine étape consistera à augmenter la surface de ces modules flexibles.
Des vitrages susceptibles de produire de l’électricité
Selon le Fraunhofer ISE, des modules organiques présentant une transmission lumineuse supérieure à 50 % pourraient à terme remplacer certains vitrages dans les façades de bâtiments ou les serres agricoles.
Dans les applications où un verre teinté est recherché, notamment pour les toits de véhicules ou certains éléments de façade, une transparence plus faible pourrait même constituer un avantage.
Les semi-conducteurs organiques permettent en effet de sélectionner les longueurs d’onde absorbées. Les cellules peuvent capter principalement le rayonnement proche infrarouge tout en laissant traverser une proportion importante de la lumière visible.
Les chercheurs pensent désormais pouvoir accroître sensiblement la transparence sans dégrader le rendement électrique. Ces travaux ont été menés dans le cadre du projet « Durchblick-PV », consacré au développement de modules solaires organiques à forte transparence visuelle. Soutenu par le ministère fédéral allemand chargé de l’Économie, le projet associe Heraeus Epurio, ROWO Coating, ASCA, l’Université de Fribourg et le Fraunhofer ISE.
Les résultats scientifiques ont été publiés début août dans la revue Joule. Ils ne correspondent pas encore à l’annonce d’un produit commercial, mais démontrent que des modules photovoltaïques organiques semi-transparents peuvent désormais être fabriqués avec des procédés compatibles avec une future production industrielle.
