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Cellule solaire ultra-mince : la course à l’innovation

Nous bénéficions tous au quotidien des innovations liées à la miniaturisation que ce soit dans notre mobile, nos automobiles, la médecine ou l’industrie. Un autre domaine connaît une course technologique fulgurante, c’est celui du photovoltaïque. En moins de 10 ans, les progrès en la matière ont permis d’offrir de nouveaux records chaque année. Et les français ne sont pas en reste !

Le photovoltaïque organique est considéré comme une alternative prometteuse aux films conventionnels à base de silicium, étant plus respectueux de l’environnement et moins coûteux à produire. Les cellules solaires flexibles ultrafines sont particulièrement attrayantes, car elles pourraient fournir une grande puissance par poids et être utilisées dans une variété d’applications utiles telles que l’alimentation de l’électronique portable et comme capteurs et actionneurs en robotique douce.

Cependant, les films organiques ultra-fins ont tendance à être relativement efficaces, ayant généralement un taux de conversion d’environ 10 à 12 %, nettement inférieur au rapport dans les cellules en silicium, qui peut atteindre 25 pour cent, ou dans les cellules organiques rigides, qui peut atteindre jusqu’à 17 pour cent environ. Les films ultra-fins ont également tendance à se dégrader rapidement sous l’influence de la lumière du soleil, de la chaleur et de l’oxygène. Les chercheurs tentent de créer des films ultraminces à la fois éconergétiques et durables, mais c’est souvent un compromis difficile.

Etat des lieux des innovations en la matière …

Les japonais précurseurs en cellules ultra-minces

Les scientifiques du RIKEN, en collaboration avec des partenaires internationaux, ont réussi à créer une cellule solaire organique ultra-mince à la fois très efficace et durable. À l’aide d’un simple processus de post-recuit, ils ont créé une cellule organique flexible qui se dégrade de moins de 5% sur 3000 heures dans des conditions atmosphériques et qui a simultanément un taux de conversion d’énergie – un indicateur clé de la performance des cellules solaires – de 13%.

ultrathin organic solar riken

Selon Kenjiro Fukuda, dans une recherche publiée dans les Actes de la National Academy of Sciences des États-Unis d’Amérique, le groupe a réussi à montrer qu’une cellule ultra-mince peut être à la fois durable et efficace.

« Notre recherche montre que les cellules solaires organiques ultra-minces peuvent être utilisées pour fournir une puissance élevée de manière stable sur de longues périodes de temps, et peuvent être utilisées même dans des conditions sévères telles que des températures et une humidité élevées. « 

Record de rendement pour les autrichiens 

Alors que le silicium convertit principalement les parties rouges de la lumière solaire en électricité, les composés de pérovskite utilisent principalement les parties bleues du spectre. Une cellule solaire en tandem composée de silicium empilé et de pérovskite atteint ainsi une efficacité nettement plus élevée que chaque cellule individuelle seule.

Cellule Solaire - Credits Eike Köhnen - HZB

Le professeur Bernd Stannowski du HZB Institute PVcomB et le professeur Steve Albrecht, qui dirige un Helmholtz Young Investigator Group (YIG) au HZB, ont déjà établi conjointement de nouveaux records pour les cellules solaires tandem monolithiques à plusieurs reprises. En janvier 2020, l’équipe a présenté une cellule solaire tandem en silicium avec une pérovskite aux halogénures métalliques qui a atteint une efficacité de 29,15%

De son côté, Oxford Photovoltaics Ltd. avait annoncé en 2019 une valeur de 28%. La limite d’efficacité pratique réaliste pour les cellules tandem en silicium et en pérovskite est d’environ 35%. L’équipe HZB veut franchir la barrière de 30% d’efficacité. 

Cellule OPV de Toyobo Co

Sur un autre marché de niche, celui des cellules solaire sous éclairage artificiel, le spécialiste japonais de la chimie Toyobo Co. et le CEA (Commissariat à l’Energie Atomique, français) ont réussi à fabriquer de petites cellules photovoltaïques organiques (PVO) sur un substrat en verre qui ont obtenu le Record mondial de rendement pour de petites cellules photovoltaïques organiques avec un un rendement de conversion d’environ 25 %, soit 60 % de plus que celui des cellules solaires en silicium amorphe couramment utilisées pour les calculatrices de bureau.

La cellule PVO est une cellule solaire, qui est créée en recouvrant d’électrodes des matériaux organiques générateurs d’énergie, notamment des atomes de carbone et de soufre, sur un substrat en verre ou en plastique. Puisque la cellule PVO est très fine et flexible, elle se fixe facilement aux murs ou aux surfaces de tissu où les cellules solaires inorganiques courantes ne peuvent être installées. 

De la finesse pour les cellules germano-néerlandaise

L’ESA (Agence Spatiale Européenne) a soutenu la création d’une cellule solaire ultra-mince flexible pour fournir le meilleur rapport puissance / masse dans les missions spatiales.

D’une épaisseur d‘environ 0,02 mm – plus mince qu’un cheveu humain – les cellules solaires prototypes ont été développées par Azur Space Solar Power en Allemagne et tf2 aux Pays-Bas.

ESA - SJM Photography

Les cellules solaires ont été produites en utilisant une technique appelée « décollage épitaxial », ce qui signifie qu’elles ont été décollées de la couche de substrat en germanium sur laquelle elles étaient initialement posées, de sorte de réutiliser ce coûteux matériau.

Des cellules solaires à triple et quadruple jonction ont été fabriquées, constituées à partir de trois ou quatre couches de matériaux différents, optimisées pour utiliser différentes longueurs d’onde de lumière constituant le spectre solaire.

Ces cellules solaires plus minces que le papier pourraient être exploitées pour de futurs satellites de l’ESA ou bien des pseudo-satellites à haute altitude ( HAPS ) – des avions ou des ballons sans équipage pour effectuer des tâches de type satellite depuis la haute atmosphère.

Process industriel en marche pour les français d’Asca

Armor, société fondée en 1922 et spécialisée dans les encres et les cartouches d’impression mène depuis une dizaine d’années, via sa structure dédiée Asca et en lien avec des scientifiques de l’Institut national de l’énergie solaire (INES) des travaux de recherche et développement pour mettre au point une « innovation de rupture » dans le domaine du solaire, selon les mots de son PDG, Hubert de Boisredon.

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Elle a lancé un film ultra-fin et d’une grande légèreté (450 g/m²) avec des rendements de l’ordre de 5 à 8 %.  Le film est translucide, ce qui permet de le déployer sur des surfaces vitrées, comme c’est déjà le cas sur des serres agricoles. 

Le PDG de l’entreprise souligne toutefois le bon bilan environnemental de son innovation : « Le temps de fonctionnement du film nécessaire pour compenser les émissions de CO2 liées à sa production n’est que de 4 à 6 mois, contre un an et demi à deux ans pour un panneau ».

Un outil de production a été conçu, capable de réaliser 1 million de m² de film Asca par an ! 

(Sources 1, 2, 3, 4, 5)

Crédits photos : Image de Une Asca

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Pascal Faucompré
Editeur et Rédacteur en chef de Build Green, le média participatif sur l'habitat écologique et pertinent. Passionné par le sujet de l’éco-construction depuis 2010. Également animateur de nombreux réseaux sociaux depuis 2011 et d'une revue de web sur : Scoop.it

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