[Cahier Technique] Avec le photovoltaïque organique, le solaire gagne en souplesse

Parmi les sources d’énergies renouvelables, le photovoltaïque est de plus en plus intégré dans les mix énergétiques. Cette technologie connaît depuis quelque temps des innovations de rupture qui en font une solution prometteuse. À côté des panneaux photovoltaïques de première et deuxième générations, l’une reposant sur une base silicium, l’autre sur de fins dépôts de semiconducteurs, une troisième génération de cellules est en cours de développement, fondée sur des matériaux organiques.

Ces cellules photovoltaïques organiques (OPV) viennent progressivement combler certaines lacunes des panneaux d’anciennes générations. S’ils produisent de l’énergie en quantité, ces derniers sont polluants, énergivores et massifs. Leur facture environnementale et leur manque de souplesse et d’adaptabilité limitent leur intégration.

1. Principe

De la physique à la chimie

La formulation des polymères (combinaison entre polymères et additifs) est au cœur de la technologie du photovoltaïque organique. La mise au point des cellules comprend deux phases : l’une mobilise la recherche fondamentale pour trouver les combinaisons de molécules permettant un rendement optimal, l’autre est axée sur le développement pour atteindre les meilleures propriétés mécaniques pour un processus de production donné.

La synthèse à façon de molécules, menée par des industriels comme Armor et des centres de recherche, est utilisée pour élaborer des semiconducteurs organiques. Leur rendement, leurs caractéristiques mécaniques et optiques, ainsi que leur domaine d’absorption de la lumière diffèrent. Ces qualités influent sur la composition de la couche active sur laquelle repose la conversion du photon en électron (FIG 1). Le rendement optimal associé à un procédé donné est donc le principal critère de sélection d’un polymère.

Pression, hygrométrie, température, dosage… sont analysés de telle sorte que la formule finale soit non seulement optimale en termes de rendement mais également de mise en œuvre à l’échelle industrielle. Cette phase est d’autant plus importante que le produit final – le film photovoltaïque organique – est une superposition de couches actives différentes qui interagissent afin de produire de l’énergie.

Conversion photon-electron

FIG 1 :

Le polymère photoactif transformant les photons en charge électrique est enserré entre deux couches d’électrodes transparentes et deux couches intermédiaires servant à orienter les électrons produits par la couche active vers les électrodes, l’une enduite d’une encre tirant les charges négatives, l’autre les charges positives.

S’ils jouent un rôle fondamental, les polymères photoactifs dépendent des différents additifs pour produire de l’énergie. Toute modification apportée à la formule de l’une des couches implique donc de repenser les formulations des autres couches du film OPV afin de préserver la qualité des interactions à l’origine de la conversion des photons en électrons. Chaque nouvelle couche de donneur et accepteur implique de revoir les couches ETL (electron transfer layer) et HTL (hole transfer layer) qui attirent à elles les charges négatives et positives. Cet ajustement est impératif afin de ne pas « perdre » les charges en route.

Enfin, il est intéressant de se pencher sur l’échange même entre les différentes molécules. L’OPV repose sur l’usage de polymères organiques, contrairement aux panneaux de première et deuxième générations, qui utilisent du silicium. Dans le processus de conversion du rayon lumineux en électricité, la couche active absorbe les photons qui sont ensuite convertis en charges électriques, ou électrons.

L’étape intermédiaire est la génération d’un exciton qui permet la génération de l’électron. Avec l’hétérojonction planaire (pour les panneaux de première et deuxième générations), l’exciton généré dans le matériau utilisé (le silicium) a une durée de vie relativement longue, permettant un important transport de celui-ci et donc une importante conversion de photons en électrons. Avec l’OPV, la durée de vie de l’exciton dans des matériaux semiconducteurs utilisés est plus faible.

Pour pallier cela, le processus d’hétérojonction volumique communément utilisé dans la technologie photovoltaïque organique vient augmenter la surface interfacielle entre le polymère donneur et le polymère accepteur (FIG. 2). Un copolymère est formulé intégrant dans sa composition des zones donneuses et des zones accepteuses. Cette structure moléculaire a pour conséquence directe une augmentation de la surface d’échange au profit d’une conversion plus importante des photons en électrons. En résumé, l’hétérojonction volumique permet de générer davantage d’électrons pour une même surface de cellule organique.

Deux types de cellules organiques

FIG. 2

Outre le rendement, le choix des polymères peut également être orienté par la notion de colorimétrie. La composition moléculaire des polymères traditionnellement utilisés dans les cellules photovoltaïques organiques leur confère une teinte grise, bleue ou verte. Ces trois couleurs sont ainsi classées par niveau de performance. Le gris est le plus efficace, car il absorbe toutes les longueurs d’onde lumineuse, puis le bleu et ensuite le vert.

Des cellules organiques rouges existent, mais avec des performances moindres. Toutefois, il existe actuellement de nombreux travaux menés afin d’augmenter cette palette et obtenir du rouge, du violet et d’autres teintes de gris ainsi que des polymères totalement transparents. Ces dernières sont une véritable gageure technique car un polymère transparent ne génère souvent que très peu d’électrons. Cette notion de couleur trouvera une importance capitale dans les applications architecturales où la dimension esthétique joue un rôle prépondérant.

2. Procédé

Une technologie imprimée

Le produit fini est testé à différentes échelles de production. À ce stade, les industriels sont peu nombreux. En France, Armor, le spécialiste de la formulation et de l’enduction d’encre en couches minces sur film fin, est l’un des rares à disposer d’une capacité de production de 1 million de mètres carrés par an, avec un équipement capable de sortir plusieurs dizaines de mètres par minute. Pour parvenir à de tels résultats, il privilégie le roll-to-roll en voie humide, qui consiste à faire transiter un support physique flexible (plastique, métal, textile) entre plusieurs rouleaux de matériaux venant s’apposer en continu sur la surface à imprimer (FIG.3). Ce procédé, plus connu du grand public pour l’impression de journaux sur rotative, est utilisé aujourd’hui dans de nombreux secteurs industriels.

Le roll-to-roll permet de produire à très grande cadence. Sa forme la plus économique est l’impression roll-to-roll en voie humide. Elle ne nécessite pas des conditions atmosphériques particulières extrêmes (pression, hygrométrie, température…), onéreuses à créer artificiellement. Les équipements les plus performants dépassent aujourd’hui les 800 m/minute en moyenne. Ainsi, les coûts de production sont très faibles, grâce à l’amortissement rapide des équipements.

Le procédé roll-to-roll

FIG.3

Ce bon rendement est également possible grâce à la mise au point d’encres sur mesure, dont la formulation est totalement adaptée au process roll-to-roll. Cette approche qui permet de contrôler de bout en bout le procédé industriel est impossible avec la technique du dépôt sous vide utilisée sur d’autres types de films.

Cinq couches sont imprimées en roll-to-roll sur le film photovoltaïque organique d’Armor Solar Power Films, la filiale d’Armor dédiée au photovoltaïque. Ce montage en millefeuille est encapsulé dans une couche protectrice pour isoler les polymères (la couche active) de l’oxygène, de l’humidité ou encore des rayons ultraviolets. La composition de cette « capsule » – ou film barrière –, le degré de protection qu’elle offre aux polymères varient selon l’utilisation du film photovoltaïque organique.

Un usage en extérieur (couverture de bâtiment, mobilier urbain…) demandera une protection supérieure à un usage en intérieur pour l’alimentation d’objets connectés, dans un environnement à faible luminosité artificielle par exemple. Le degré de protection est défini avec l’utilisateur final du film photovoltaïque en fonction des contraintes techniques, comme la réduction de la flexibilité ou le poids supplémentaire du film au profit de sa solidité. Le procédé d’installation doit lui aussi être pris en compte. Un film photovoltaïque surimposé, grâce à un prêt-à-coller, peut fonctionner vingt ans. Cette durée de vie passe à trente ans dans le cas d’un film intégré entre deux parois de verre ou de polycarbonate.

Cette méthode de protection des couches actives du film OPV par encapsulation permet de dissocier la tenue mécanique de la performance. Les caractéristiques de la couche protectrice peuvent être adaptées indépendamment de la formulation du film OPV. Le développement de nouveaux usages n’appelle donc pas une reformulation complète des composants actifs du film photovoltaïque mais uniquement la création d’une couche protectrice ad hoc.Le film regroupe plusieurs cellules placées en bande (FIG. 4)

D’une part, la structure sandwich (électrode, ETL, couche active, HTL, électrode) produit l’électricité. D’autre part, le film barrière protège l’ensemble des agressions extérieures. Cela permet toutes les variations possibles du degré de protection. Les couches protectrices peuvent s’adapter de manière flexible aux normes de différents cahiers des charges, notamment dans le secteur de la construction.

Structure d'un film photovoltaïque à plusieurs cellules

FIG. 4

3. Fonctionnement

Des caractéristiques techniques inédites

Les technologies photovoltaïques organiques de troisième génération, dont le film OPV Asca conçu par Armor Solar Power Films, sont adaptées à des usages jusqu’alors impossibles pour les générations précédentes grâce à leur capacité à capter la lumière diffuse et indirecte, leur légèreté, leur semi-transparence, la variété de leurs formes, la diversité de leurs couleurs et leur souplesse.

Le rendement actuel de ce film photovoltaïque s’établit à 4,2 % (soit 42 Wc/m2) de manière stable pour les modules produits industriellement. Les évolutions rapides de la technologie permettent d’envisager des rendements de 8 % d’ici à deux ans et de 12 % en 2024. À un niveau expérimental, les nouvelles formulations en phase de test atteignent aujourd’hui des rendements de 13 % (130 Wc/m2).

Si ces taux sont encore relativement faibles en comparaison des technologies à base de silicium des première et seconde générations, ils ne disent rien de la capacité de production totale d’une installation photovoltaïque organique. Cette technologie peut en effet convertir en énergie la lumière diffuse et indirecte, et assurer une production jusqu’à 40 % supérieure à celle du silicium, à puissance installée égale. Un rendement qui s’intensifie rapidement avec les avancées de la technologie.

L’enduction d’encres en couches minces sur film fin d’Armor Solar Power Films produit un film très léger de l’ordre de 450 g/m2. Ainsi, le film Asca n’impacte pas les structures sur lesquelles il est surimposé ou intégré ouvrant la voie à des installations sur des surfaces fragiles ou délicates (façade, garde-corps, ombrière…). Plusieurs films peuvent être associés pour augmenter la quantité de courant généré. (FIG.5)

Avec un rayon de courbure de 2,5 cm, ce film OPV flexible s’adapte à tout type de surface. Plus généralement, la capacité des films OPV à générer de l’électricité, même à partir d’une source de lumière diffuse de faible intensité, leur permet d’être utilisés en intérieur comme en extérieur sans se soucier du placement et de l’orientation. Les technologies OPV actuelles captent même les rayons lumineux réfléchis.

Cette dernière caractéristique permet d’envisager des développements importants pour les technologies OPV au service de l’internet des objets (IoT). Les promesses de l’IoT sont conditionnées par sa capacité à accumuler des données. Autrement dit, elles sont soumises à l’étendue de son réseau physique de capteurs devant être alimentés en énergie. Les capacités de l’OPV en termes de récupération d’énergie ambiante (harvesting) y compris dans des conditions de luminosité faible et/ou artificielle en font l’allié idéal du développement massif des objets connectés.

Mise en série de plusieurs panneaux OPV

FIG 5

À la fois générateurs d’énergie et capteurs, grâce à leur capacité à détecter les variations de luminosité, les films photovoltaïques organiques peuvent être utilisés dans de nombreuses applications innovantes. Plusieurs démonstrateurs ont prouvé leur utilité dans du mobilier urbain autonome en énergie et même capable d’offrir un point de recharge pour des appareils électroniques. Asca Solutions Lab, un laboratoire du groupe Armor, a utilisé les propriétés de capteur du film pour concevoir un piano innovant sans contact baptisé Pian’OPV. Les sons sont produits lorsque l’ombre projetée de la main passe sur la cellule organique.

Ces technologies peuvent également adopter différentes formes et couleurs (bleu, vert, gris et rouge). En travaillant sur les films, il est ainsi possible de proposer des modèles veinés comme des feuilles d’arbres ou arborant un dessin, un logo. Dans ces cas, la perte de rendement est minime et peut être compensée par une plus grande liberté pour le designer ou l’architecte, comme en témoignent plusieurs réalisations d’Armor Solar Power Films (ex-Opvius), leader mondial du « free form ».

L’OPV Solar Tree utilise des films OPV au sein d’un projet d’aménagement urbain smart. Façonné à l’image d’un bananier, cet « arbre » déploie 12 feuilles en film OPV qui produisent de la lumière le soir et permettent de recharger les appareils connectés des passants. Avec un taux de rendement similaire aux chiffres avancés plus haut, le nombre d’appareils pouvant être rechargés dépend du degré de lumière que l’arbre peut absorber et convertir.

Armor Solar Power Films a aussi collaboré à la création du dôme surplombant le siège de l’Union africaine à Addis-Abeba (Éthiopie). En intégrant des cellules photovoltaïques organiques à cette structure, elle a dessiné un générateur photovoltaïque épousant la forme du continent africain et pouvant alimenter l’ensemble de l’éclairage LED du bâtiment, tout en laissant passer de la lumière naturelle.

Semi-transparents, les films photovoltaïques organiques laissent passer la lumière, ce qui leur permet de participer à la régulation thermique et lumineuse des bâtiments. Des expérimentations sont actuellement conduites par Armor Solar Power Films sur des serres maraîchères et à l’intérieur de grands abris plastiques (GAP) translucides pour établir les conditions de production énergétique des films OPV. L’expérience, menée en partenariat avec Eiffage Énergie Systèmes, teste 43 m2 de film photovoltaïque sous différentes conditions.

Deux voiles d’ombrage horizontaux sont disposés à l’intérieur de deux serres différentes : un GAP et une serre en verre. Un rideau vertical a été installé à l’intérieur d’une serre en verre. Et neuf modules ont été apposés sur la face verticale extérieure d’une serre en verre par le biais d’une solution universelle prêt-à-coller adaptée à toutes les surfaces vitrées. Les conclusions partielles de cette expérience démontrent que la nature de l’exposition (en pleine lumière ou en lumière diffuse) n’affecte pas la capacité de production des films, qui fonctionnent dès le lever du soleil.

Cette souplesse dans l’installation des films OPV constitue une autre de leurs différences vis-à-vis des technologies photovoltaïques précédentes. Aujourd’hui, deux options d’installation existent : l’une adaptée à tous types de surface et l’autre plus spécifique à certains matériaux.

Dans le premier cas, le film OPV vient se surimposer sur un matériau à l’aide d’un adhésif développé spécifiquement pour le matériau support. Armor Solar Power Films propose au secteur de la construction mais aussi à l’industrie au sens large des solutions de surimposition prêt-à-coller en fonction de leurs besoins et cahier des charges. Ce film vient solariser un grand nombres de surfaces. Qu’elles soient métalliques (zinc, acier, aluminium…), en ciment, en verre, en polycarbonate, en textile ou encore en éthylène tétrafluoroéthylène (ETFE), le film OPV peut venir les couvrir partiellement ou en totalité. 

Dans le cas du verre et des polycarbonates, le film peut également être intégré directement au matériau, enserré entre deux couches. Les bâtiments ainsi conçus sont dits BIPV (pour building integrated photovoltaics). Cette intégration structurelle du film au matériau est aussi possible pour les surfaces textiles ou ETFE, à l’échelle d’un bâtiment ou d’un objet de consommation courante.

4. Environnement

Une solution moins polluante

La technologie photovoltaïque organique n’a cependant pas vocation à concurrencer les technologies précédentes. Elle se veut complémentaire car moins polluante, moins dépendante et plus flexible. Le choix de polymères organiques permet une production dans des conditions moins extrêmes du fait de l’absence de silicium ou de métaux rares.

Nécessitant une température inférieure à 100 °C pour la fabrication de leurs composants les plus énergivores, ces unités de production consomment mécaniquement moins d’énergie que les technologies de première et seconde générations nécessitant des températures de plusieurs milliers de degrés. Concrètement, l’OPV bénéficie d’une dette écologique – energy pay back time (EPBT) – de l’ordre de trois mois, très inférieure à celle de ces prédécesseurs (d’une année et demie à trois années).

La faible consommation de matières premières dans leur fabrication (moins de 500 g/m2) participe également à la réduction de leur facture environnementale et de leur dépendance au commerce international. Un facteur géopolitique clé alors que la Chine est un poids lourd de la production et du raffinement des métaux rares. Une situation préoccupante, lorsque ces éléments essentiels à la production des nouvelles technologies à la pointe ont fait l’objet de passes d’armes dans la guerre commerciale entre les États-Unis et la Chine, ou de différends avec l’Union européenne devant l’OMC.

Issues de matières organiques, les cellules photovoltaïques ne contiennent aucune matière toxique et ont pour seul composant métallique l’argent. Un matériau pour lequel les techniques et les filières de revalorisation existent depuis le boom de la photographie argentique. La technologie Asca est revalorisable à 100 % sous forme de combustible de récupération (CSR), soit d’énergie thermique.

Les besoins énergétiques mondiaux vont augmenter dans les années et les décennies à venir. À lui seul, le continent africain représente une source de croissance à la fois mécanique et socio-économique, avec un réservoir de 645 millions de personnes n’ayant pas encore accès à une source d’électricité, d’après l’Institut Montaigne.

Plus encore, le photovoltaïque organique apparaît comme une réponse à la problématique d’une production d’énergie responsable en offrant aux technologies de collecte de l’énergie ambiante de nouveaux terrains d’installation : surimposé et habillant les surfaces encore inexplorées de bâtiments, du mobilier urbain… ou intégré aux objets eux-mêmes.

Encore limitée par son rendement, cette technologie fait l’objet de recherches approfondies pour gagner en efficience énergétique et, à terme, devenir une source complémentaire d’énergie fiable dans le cadre de la transition énergétique, libérée des dépendances aux énergies fossiles et aux métaux rares.