Des cellules solaires organiques ultrafines pourraient transformer les bâtiments en générateurs d'électricité

En novembre 2021, alors que le service public municipal de Marburg, en Allemagne, effectuait une maintenance programmée sur une installation de stockage d'eau chaude, les ingénieurs ont collé 18 panneaux solaires à l'extérieur du réservoir cylindrique principal de 10 mètres de haut. Ce n'est pas la maison typique des panneaux solaires, dont la plupart sont des rectangles plats et rigides en silicium et en verre disposés sur les toits ou dans les parcs solaires. Les panneaux de l'installation de Marburg, en revanche, sont des films organiques ultrafins fabriqués par Heliatek, une société solaire allemande. Au cours des dernières années, Heliatek a monté ses panneaux flexibles sur les côtés des tours de bureaux, les toits courbes des arrêts de bus et même le fût cylindrique d'une éolienne de 80 mètres de haut. L'objectif : étendre la portée de l'énergie solaire au-delà des terrains plats. "Il existe un énorme marché où le photovoltaïque classique ne fonctionne pas", déclare Jan Birnstock, directeur technique d'Heliatek.

Les photovoltaïques organiques (OPV) tels que ceux d'Heliatek sont plus de 10 fois plus légers que les panneaux en silicium et, dans certains cas, coûtent moitié moins cher à produire. Certains sont même transparents, ce qui amène les architectes à envisager des panneaux solaires non seulement sur les toits, mais intégrés dans les façades des bâtiments, les fenêtres et même les espaces intérieurs. "Nous voulons transformer chaque bâtiment en un bâtiment produisant de l'électricité", déclare Birnstock.

Les panneaux d'Heliatek sont parmi les rares OPV en utilisation pratique, et ils convertissent environ 9 % de l'énergie de la lumière du soleil en électricité. Mais ces dernières années, des chercheurs du monde entier ont mis au point de nouveaux matériaux et de nouvelles conceptions qui, dans de petits prototypes fabriqués en laboratoire, ont atteint des rendements de près de 20 %, se rapprochant du silicium et d'autres cellules solaires inorganiques à couche mince, telles que celles fabriquées à partir d'un mélange de cuivre, d'indium, de gallium et de sélénium (CIGS). Contrairement aux cristaux de silicium et au CIGS, où les chercheurs sont principalement limités aux quelques options chimiques que la nature leur offre, les OPV leur permettent de modifier les liaisons, de réorganiser les atomes et de mélanger des éléments de tout le tableau périodique. Ces changements représentent des boutons que les chimistes peuvent ajuster pour améliorer la capacité de leurs matériaux à absorber la lumière du soleil, à conduire les charges et à résister à la dégradation. Les VPO ne respectent toujours pas ces mesures. Mais "il y a un énorme espace blanc pour l'exploration", déclare Stephen Forrest, chimiste OPV à l'Université du Michigan, Ann Arbor.

Même lorsque les OPV fabriqués en laboratoire semblent prometteurs, les mettre à l'échelle pour créer des panels grandeur nature reste un défi, mais le potentiel est énorme. "En ce moment, c'est une période vraiment passionnante pour les OPV, car le domaine a fait d'énormes progrès en termes de performances, de stabilité et de coût", déclare Bryon Larson, expert en OPV au National Renewable Energy Laboratory.

L'ÉNERGIE SOLAIRE CONVENTIONNELLE, principalement basée sur le silicium, est déjà un succès en matière d'énergie verte, fournissant environ 3 % de toute l'électricité de la planète. C'est la plus grande nouvelle source d'énergie ajoutée au réseau, avec plus de 200 gigawatts mis en ligne chaque année, assez pour alimenter 150 millions de foyers. Soutenu par des décennies d'améliorations techniques et une chaîne d'approvisionnement mondiale, son prix continue de baisser.

Mais l'énergie solaire et les autres sources d'énergie verte ne se développent pas assez rapidement pour répondre à la demande croissante et prévenir un changement climatique catastrophique. Entre la marche du développement économique mondial, la croissance démographique et le passage attendu d'une grande partie des voitures et des camions du monde du pétrole à l'électricité, la demande mondiale d'électricité devrait doubler d'ici 2050. Selon les dernières estimations de l'Agence internationale de l'énergie, pour atteindre zéro émission mondiale nette de carbone d'ici 2050, les pays doivent installer des énergies renouvelables à quatre fois le rythme actuel, un défi que l'agence qualifie de "formidable". Le monde a besoin de nouvelles sources d'énergie renouvelable, et vite.

Les défenseurs de l'OPV ne voient pas la technologie remplacer les panneaux de silicium conventionnels pour la plupart des utilisations. Au contraire, ils voient cela aider à inaugurer une vague de nouvelles applications et finalement mettre l'énergie solaire dans des endroits où les panneaux de silicium ne fonctionneront pas. Le domaine a fait ses débuts en 1986 lorsque les experts en films plastiques de la société Eastman Kodak ont ​​produit le premier OPV, qui n'était efficace qu'à 1% pour convertir l'énergie de la lumière du soleil en électricité. Mais au début des années 2000, jouer avec les boutons chimiques avait poussé l'efficacité des OPV jusqu'à environ 5 %, suffisamment pour que plusieurs entreprises tentent de les commercialiser. Leur espoir était que l'impression de panneaux sur des machines rouleau à rouleau telles que les presses à journaux rendrait les appareils suffisamment bon marché pour être utiles malgré leurs défauts. Mais une faible efficacité et une dégradation sous la lumière du soleil implacable ont condamné les premiers modèles. "L'excitation était là, mais c'était un peu trop tôt", a déclaré Larson.

Une partie de la difficulté à augmenter l'efficacité des OPV - alors comme aujourd'hui - est qu'ils fonctionnent différemment des cellules fabriquées à partir de matériaux inorganiques, tels que le silicium. Toutes les cellules solaires sont des dispositifs de type sandwich, avec des semi-conducteurs au milieu qui absorbent les photons et convertissent cette énergie en charges électriques, qui migrent ensuite vers des électrodes métalliques superposées au-dessus et au-dessous. Lorsque la lumière du soleil frappe les cellules de silicium, l'énergie ajoutée expulse les électrons de leurs orbites autour des atomes de silicium individuels, les libérant pour traverser le matériau. Chaque électron excité laisse derrière lui une lacune d'électron, également connue sous le nom de "trou", qui porte une charge positive. Les charges positives s'écoulent vers une électrode chargée négativement (la cathode), tandis que les électrons s'écoulent vers une électrode chargée positivement (l'anode), créant un courant électrique.

En revanche, les molécules des semi-conducteurs organiques ont tendance à conserver leurs charges plus étroitement. Lorsque les OPV absorbent la lumière du soleil, il y a suffisamment d'énergie pour expulser un électron de son orbite atomique, mais pas assez pour que les charges positives et négatives se séparent et se séparent. Au contraire, ces charges opposées se collent les unes aux autres, créant ce que l'on appelle un exciton. Pour générer de l'électricité, les excitons doivent être séparés en charges positives et négatives qui peuvent se déplacer vers leurs électrodes respectives.

Le moment de la séparation survient lorsque les excitons se déplacent et rencontrent une interface entre deux composants semi-conducteurs, appelés matériaux donneur et accepteur. L'accepteur attire les électrons et le donneur attire les trous positifs, séparant l'exciton. Cela doit se produire rapidement : si l'électron et le trou excités se combinent avant de pouvoir atteindre cette interface, ils libèrent souvent leur secousse d'excitation d'origine sous forme de chaleur, la gaspillant.

Au fil des décennies, les chercheurs d'OPV ont cherché à améliorer les performances de leurs dispositifs en proposant des donneurs et des accepteurs améliorés. Les travaux menés au milieu des années 2000 ont poussé l'efficacité au-dessus de 5 %, principalement en incorporant des composés de carbone en forme de ballon de football appelés fullerènes dans les matériaux. La soif d'électrons des fullerènes en fait de puissants accepteurs. Au cours de la décennie suivante, l'action s'est déplacée vers les donateurs. En 2012, une série de nouveaux polymères semi-conducteurs utilisés comme donneurs ont propulsé les rendements à 12 %.

Ensuite, le terrain a subi un double coup dur. Tout d'abord, les progrès ont atteint un plateau alors que les chercheurs luttaient pour trouver le prochain matériau révolutionnaire. Puis une technologie solaire rivale à couche mince, appelée pérovskites, a fait irruption sur la scène. Les pérovskites sont des mélanges de composés organiques et inorganiques peu coûteux à fabriquer, faciles à traiter et excellents pour capter la lumière du soleil et la transformer en électricité. Alors que les progrès de l'OPV ont stagné, l'efficacité des pérovskites est montée en flèche, passant d'environ 6,5 % en 2012 à environ 24 % en 2020. « Les pérovskites étaient un bâton de dynamite largué dans le monde des OPV », explique Larson. Les agences de financement ont renfloué les VPO et les chercheurs ont afflué vers le nouveau venu. "Les pérovskites étaient un train en marche sur lequel il fallait simplement être", déclare Karl Leo, chercheur OPV à l'Université technique de Dresde.

Aujourd'hui, les pérovskites restent chaudes. Mais les défis liés à la stabilité à long terme et leur dépendance à des éléments toxiques ont sapé un certain enthousiasme. Pendant ce temps, les OPV ont rapidement eu leur propre innovation.

En 2015, des chercheurs dirigés par Xiaowei Zhan, un scientifique des matériaux à l'Université de Pékin, ont signalé le premier d'une nouvelle classe d'accepteurs non fullerènes (NFA). Bien que les fullerènes soient bons pour saisir et transporter les électrons, ils étaient mauvais pour absorber la lumière du soleil. Au niveau moléculaire, le nouveau composé de Zhan, surnommé ITIC, ressemblait à un symbole olympique étendu avec des anneaux supplémentaires, et il remplissait bien les deux fonctions, absorbant d'abord la lumière rouge et infrarouge, puis transportant les électrons une fois les excitons séparés.

Le premier appareil NFA de Zhan n'était efficace qu'à environ 7 %. Mais les chimistes du monde entier ont rapidement commencé à modifier la structure de l'ITIC, produisant des versions améliorées. En 2016, de nouveaux NFA ont poussé l'efficacité du VPO à 11,5 %. En 2018, ils ont atteint 16 %. Et les records s'enchaînent. L'année dernière, Larson et ses collègues ont rapporté dans Nature Communications qu'en combinant plusieurs donneurs, un NFA et un fullerène en une seule couche, ils ont créé un matériau qui permet aux excitons de vivre plus longtemps et de faire des trous plus rapidement vers leur électrode, ce qui a poussé son efficacité jusqu'à 18,4%. Et en août, Zhan Lingling de l'Université normale de Hangzhou et ses collègues ont rapporté dans Advanced Energy Materials qu'un OPV basé sur une stratégie multicomposant similaire atteignait une efficacité de 19,3 %. "Les progrès ont été vraiment impressionnants", déclare Jean-Luc Brédas, expert en OPV à l'université d'Arizona. "Vingt pour cent seront bientôt atteints."

CELA APPORTERAIT les cellules OPV à quelques points de pourcentage de leurs rivaux CIGS et silicium. Pourtant, peu d'observateurs du marché pensent que les OPV seront bientôt en concurrence directe avec le silicium. Les cellules solaires au silicium représentent déjà un marché de 85 milliards de dollars par an, avec une expérience de 30 ans et une durabilité éprouvée.

En revanche, les VPO restent des produits de niche. Les OPV moins chers, tels que les appareils Heliatek, sont entravés par de faibles rendements, et les plus efficaces sont encore expérimentaux et coûteux. Donc, pour l'instant, dit Forrest, il est préférable que les fabricants d'OPV ciblent de nouveaux marchés où le silicium ne convient pas. "Si vous êtes en concurrence avec le silicium, rentrez chez vous, vous avez déjà perdu", dit-il.

Une utilisation en croissance rapide est le plâtrage des films générateurs d'énergie sur les côtés des bâtiments. Le CIGS et d'autres films minces inorganiques peuvent être utilisés de la même manière. Mais la demande pour les panneaux d'Heliatek est suffisamment forte pour que, même si l'entreprise n'a commencé à les vendre que l'année dernière, elle construit déjà une usine capable de produire 2 millions de mètres carrés (m2) par an, suffisamment pour fournir environ 200 mégawatts d'électricité. Pendant ce temps, une société suédoise appelée Epishine vend des OPV qui fonctionnent à l'intérieur et peuvent remplacer les piles jetables dans tout, des capteurs de température aux commandes d'éclairage automatisées ; il a construit sa propre ligne de production à grande vitesse. Les startups américaines Ubiquitous Energy et NextEnergy développent des fenêtres OPV génératrices d'énergie qui capturent principalement les photons infrarouges tout en laissant passer la lumière visible, ce que les CIGS et autres films minces opaques ne peuvent pas faire. Et l'Office of Naval Research (ONR) des États-Unis envisage d'utiliser les OPV comme tissus de production d'énergie pour les tentes, les sacs à dos et d'autres équipements pour les soldats en déplacement. "Nous voulons quelque chose que nous pouvons porter au front", déclare Paul Armistead, qui supervise le financement du VPO à l'ONR.

Cependant, pour que les OPV deviennent une source importante d'énergie verte, ils devront rivaliser avec leurs rivaux en termes d'efficacité et de durabilité, ce qui nécessite non seulement de nouveaux matériaux, mais également une finesse de fabrication. Les appareils les plus efficaces n'existent actuellement que sous forme de prototypes de la taille d'un timbre-poste en laboratoire. En théorie, faire passer la production de cellules de 1 centimètre carré à des panneaux de 1 m2 est simple. Les matières organiques telles que les polymères et les NFA peuvent être dissoutes dans des solvants et revêtues à la machine sur de grandes surfaces. Mais chaque couche du dispositif de type sandwich doit être complètement lisse, avec peu ou pas d'imperfections, ce qui peut piéger les charges mobiles et réduire l'efficacité globale. "Pour obtenir des rendements décents, tout doit fonctionner correctement", déclare Armistead.

Encore plus difficile est de contrôler la composition de la couche centrale du sandwich contenant les donneurs et les accepteurs. Cette combinaison de matériaux est initialement déposée sous forme de liquide avec des donneurs, des accepteurs, parfois d'autres additifs et des solvants tous mélangés ensemble. Au fur et à mesure que le solvant s'évapore, les donneurs et les accepteurs se séparent, créant deux réseaux continus entrelacés. Le résultat est une grande surface à l'interface entre les régions donneuse et acceptrice pour séparer les charges. Les réseaux continus permettent également aux charges opposées de circuler le long de leurs propres chemins vers les électrodes, les électrons traversant le réseau d'accepteurs et de trous se déplaçant à travers les donneurs.

Les rubans entrelacés de donneurs et d'accepteurs doivent être extrêmement fins, car les excitons créés lorsque les photons frappent le matériau ne peuvent migrer que d'environ 20 nanomètres avant que les charges ne se recombinent et que la possibilité de générer de l'électricité ne soit perdue, explique Zhenan Bao, chimiste à l'Université de Stanford. "Vous devez avoir la bonne morphologie", dit Armistead. Le faire de manière fiable, à grande échelle, reste un défi.

Lui et d'autres sont encouragés par une étude publiée le 27 octobre dans Nature Energy par Jie Min, un expert OPV à l'Université de Wuhan, et ses collègues. L'équipe de Min a adapté une approche populaire pour la fabrication de films minces à grande vitesse appelée revêtement à la lame. L'approche conventionnelle, qui mélange les donneurs et les accepteurs ensemble et étale le liquide sur un film en mouvement et l'égalise avec ce qui ressemble à une longue raclette, peut produire de tels films à environ 2 m par minute. Mais en raclant les couches séparément les unes après les autres, les chercheurs ont établi un meilleur réseau de donneurs et d'accepteurs jusqu'à 30 m par minute. Les cellules résultantes avaient des rendements allant jusqu'à près de 18 %. L'équipe de Min calcule également que le taux de fabrication plus rapide pourrait réduire les coûts OPV de plus de 10 fois et rendre le prix du kilowattheure (kWh) compétitif par rapport au silicium.

Une augmentation de 2 décennies de l'efficacité avec laquelle le photovoltaïque organique transforme la lumière du soleil en électricité a d'abord été provoquée par des molécules appelées fullerènes et des modifications de la structure des films, puis par de meilleurs matériaux "donneurs" et "accepteurs" pour séparer les charges positives et négatives.

Il reste cependant à voir si ces cellules conserveront la structure interne nécessaire à un rendement élevé pendant des décennies. "Dans certaines des cellules record, la morphologie change avec le temps et les performances ne tiennent pas", explique Armistead. Les NFA sont particulièrement sensibles, car les meilleurs sont constitués de petites molécules qui peuvent facilement se déplacer à travers le matériau.

Remplacer les NFA par des accepteurs tissés dans de longs polymères pour aider à les maintenir en place pourrait aider. "Ils ont la chance d'être très robustes", dit Armistead. Le progrès est en marche ici aussi. Dans le numéro du 18 août d'Advanced Materials, des chercheurs dirigés par Alex Jen, un spécialiste des matériaux à l'Université de Hong Kong, ont rapporté des cellules solaires tout polymère qui avaient une efficacité de 17 % et conservaient 90 % de leur efficacité lors de tests de vieillissement accéléré. "C'est assez remarquable", déclare Bao, dont l'équipe travaille également sur des cellules tout polymère.

Pourtant, la stabilité et le rendement élevé ne suffiront toujours pas. Pour arriver sur le marché, les cellules solaires doivent également faire leurs preuves pendant des décennies. "C'est un tabouret à trois pieds et vous devez avoir les trois pieds", explique Forrest. Sous une exposition intense aux ultraviolets (UV) du soleil, les matières organiques des cellules solaires peuvent se dégrader, tout comme notre peau brûle pendant une journée à la plage.

Dans le numéro du 14 septembre 2021 de Nature Communications, Forrest et ses collègues ont rapporté avoir ajouté une fine couche d'oxyde de zinc absorbant les UV - le même matériau dans certains écrans solaires - à leur OPV, ce qui a prolongé sa durée de vie jusqu'à 30 ans dans des tests de vieillissement accéléré. "C'est un écran solaire pour les cellules solaires", explique Forrest. Larson, qui ne faisait pas partie de l'équipe de Forrest, l'appelle "un énorme résultat".

Sur un point, les OPV ont déjà un net avantage sur à peu près toutes les autres technologies génératrices d'énergie : une empreinte carbone étonnamment faible. Lors de l'évaluation des panneaux Heliatek, l'institut de test allemand TÜV Rheinland a certifié que pour chaque kWh d'électricité produit par les panneaux de l'entreprise, au plus 15 grammes (g) de dioxyde de carbone (CO2) seraient émis lors de leur fabrication, de leur fonctionnement et éventuellement de leur élimination. Cela se compare à 49 g de CO2/kWh pour les panneaux de silicium et à 1008 g de CO2/kWh pour l'extraction et la combustion du charbon. Même avec leurs faibles rendements, les panneaux Heliatek généreront plus de 100 fois l'énergie nécessaire pour les fabriquer et les traiter tout au long de leur durée de vie.

L'empreinte carbone des OPV ne manquera pas de s'alléger davantage à mesure que leur efficacité continue d'établir de nouveaux records, que leur durée de vie augmente et que les méthodes de production progressent. Ces tendances nourrissent l'espoir d'un monde où l'énergie solaire se répand non seulement sur les toits et la garrigue du désert, mais aussi le long des façades incurvées des gratte-ciel, des fenêtres du monde et à peu près partout où les gens recherchent un peu de jus. Cela pourrait rendre les perspectives de lutte contre le changement climatique un peu plus prometteuses.