Développer des revêtements pour une gestion améliorée de la lumière dans les fenêtres solaires

La science de la gestion de la lumière dans les fenêtres solaires

Les fenêtres solaires représentent une percée dans le domaine des photovoltaïques intégrés au bâtiment (BIPV), permettant aux surfaces de verre ordinaires de produire de l'électricité tout en préservant la lumière naturelle.Le défi consiste à contrôler le spectre solaire : la lumière visible (400 à 700 nm) doit passer pour l'éclairage, tandis que les longueurs d'onde infrarouges proches (NIR) et ultraviolettes (UV) – qui contribuent peu à la lumière du jour mais qui causent le chauffage et la dégradation des matériaux – doivent être gérées.

Technologies clés de revêtement

Revêtements antireflets

Les revêtements antiréfléchissants (AR) réduisent les reflets de surface, permettant ainsi à plus de lumière d'entrer dans la fenêtre. Pour les fenêtres solaires, cela signifie une transmission visible plus élevée et un flux photonique accru atteignant la couche photovoltaïque. Les revêtements AR standards utilisent des couches d'interférence quart d'onde de matériaux comme le nitrure de silicium ou le fluorure de magnésium.

Revêtements Spectrally Sélectif

Les revêtements spectraux sont conçus pour transmettre la lumière visible tout en réfléchissant ou en absorbant le rayonnement infrarouge et ultraviolet. Ceci est accompli en utilisant plusieurs piles à film mince qui agissent comme filtres optiques. Par exemple, les piles diélectriques-métal-diélectriques (DMD) utilisant des couches d'argent ou de cuivre sandwichées entre des oxydes transparents comme l'oxyde d'étain d'indium (ITO) ou l'oxyde de zinc peuvent obtenir une transmission visible > 70 % tout en réfléchissant jusqu'à 90 % du NIR. Ces revêtements sont au centre de la création de fenêtres solaires -cool-= qui génèrent de l'électricité sans surchauffer les espaces intérieurs.

Revêtements à faible émissivité (faible-E)

Dans les fenêtres solaires, elles ont un double rôle : réduire le transfert de chaleur radiative entre l'intérieur et l'extérieur et gérer le coefficient de gain de chaleur solaire (SHGC). Les couches basses en matière de matière souple, généralement à base d'argent, sont déposées par pulvérisation et peuvent être ajustées pour refléter l'infrarouge à longue onde tout en permettant la transmission de lumière visible.

Revêtements photovoltaïques

Les revêtements photovoltaïques (PV) convertissent directement la lumière du soleil en électricité sur la surface de la fenêtre.Ces revêtements sont généralement basés sur des technologies à film mince comme le silicium amorphe, le telluride de cadmium ou le sélénide de cuivre indium gallium (CIGS).Les solutions émergentes comprennent les photovoltaïques organiques (OPV), les cellules solaires sensibilisées aux colorants (DSSC) et les films minces perovskite. Les revêtements Perovskite, en particulier, ont atteint des rendements de conversion de puissance supérieurs à 20% tout en maintenant une transparence partielle grâce au contrôle de l'épaisseur et à l'ingénierie de la composition.

Innovations récentes dans le développement du revêtement

Conceptions multicouches nanostructurées

La nanotechnologie a permis la création de revêtements multicouches avec des épaisseurs contrôlées avec précision (10–200 nm) qui manipulent la lumière par des interférences constructives et destructrices. Grâce au dépôt de couches atomiques (ADL) ou par pulvérisation de magnétron, les chercheurs peuvent empiler jusqu'à des dizaines de couches pour obtenir des réponses spectrales complexes. Par exemple, un revêtement composé de couches alternées TiO2 et SiO2 peut agir comme miroir Bragg pour le NIR tout en étant transparent dans le visible.

Revêtements auto-nettoyants

Les revêtements autonettoyants permettent de remédier à cette situation en utilisant la photocatalyse ou la superhydrophilicité. Les revêtements de dioxyde de titane (TiO2), par exemple, décomposent la saleté organique sous la lumière UV et font que l'eau se propage uniformément, lavant les débris. Les revêtements superhydrophobes à base de polymères fluorés ou de silice nanostructurée repoussent l'eau et réduisent l'adhérence de la saleté.

Revêtements thermochromiques et électrochromiques

Les revêtements thermochromiques, tels que ceux basés sur le dioxyde de vanadium (VO2), passer de transparent à opaque ou réfléchissant quand une température seuil est atteinte, bloquer le NIR pendant les périodes chaudes tout en permettant la lumière visible. Les revêtements électrochromiques, utilisant des matériaux comme l'oxyde de tungstène, peuvent être obscurcis ou allégés sur demande en appliquant une petite tension. L'intégration de ces revêtements avec des couches de PV crée des fenêtres solaires intelligentes qui peuvent optimiser dynamiquement la gestion de la lumière, améliorant à la fois la production d'énergie et le confort intérieur.

Les défis du revêtement du développement

Équilibrer l'efficacité et la transparence

Pour produire de l'électricité, le revêtement PV doit absorber les photons, ce qui réduit intrinsèquement la transmission. L'atteinte d'un équilibre optimal – généralement avec une transmission visible entre 20 % et 50 % et une efficacité raisonnable – exige une ingénierie soigneuse de l'épaisseur de l'absorbeur, du bandgap et du piégeage de la lumière.

Durabilité et résistance aux intempéries

Les revêtements en film mince sont sensibles à la délamination, à l'oxydation et à l'humidité. Les chercheurs explorent des stratégies d'encapsulation, des couches de barrière et des joints hermétiques pour prolonger la durée de vie. Des normes d'essais accélérées, comme la CEI 61646, aident à évaluer la fiabilité, mais les données de performance réelles sont encore limitées pour de nombreuses technologies de revêtement émergentes.

Esthétique et acceptation du marché

Pour l'intégration architecturale, les revêtements doivent être visuellement uniformes, neutres en couleur (ou esthétiquement agréables), et exempts de stries ou d'iridescence. Les piles multicouches peuvent produire des couleurs d'interférence qui peuvent être indésirables. Les épaisseurs de couches pour obtenir un ton neutre ou une palette de couleurs spécifiques sont un défi permanent.

Coût de fabrication et scalabilité

Les revêtements à haute performance reposent souvent sur des techniques de dépôt sous vide (dépôts, évaporation, ALD) coûteuses et limitées en débit. Le traitement de laminage, le dépôt chimique dans les bains et l'impression à jet d'encre sont en cours de développement pour réduire les coûts. Par exemple, le revêtement par slot-die des couches de PV perovskite a été démontré sur des substrats de verre à des vitesses compatibles avec la production de verre flottant.

Orientations futures

Revêtements multifonctionnels

L'objectif ultime est d'intégrer toutes les fonctions requises – gestion de la lumière, production d'énergie, contrôle thermique, auto-nettoyage et esthétique – dans une seule pile de revêtement. La recherche se dirige vers des conceptions -all-in-one-s combinant un filtre spectrally sélectif, une cellule perovskite semi-transparente, une couche anti-reflet et un revêtement auto-nettoyant. Ces revêtements simplifieraient la fabrication et réduiraient le nombre d'interfaces, améliorant ainsi la durabilité.

Intégration avec les systèmes d'énergie de construction

Les capteurs embarqués et les microcontrôleurs pourraient ajuster les revêtements électrochromiques en fonction de la lumière ambiante, de l'occupation et de la demande du réseau. L'électricité produite pourrait directement alimenter les commutations électrochromiques, créant des fenêtres autorégulatrices. De plus, des normes et des incitations photovoltaïques intégrées au bâtiment (BIPV) sont en cours d'élaboration pour encourager l'adoption, telles que les exigences de la Directive EU , Performance énergétique des bâtiments (EPBD) et du titre 24 de la Californie.

Matériaux et concepts émergents

Les revêtements de prochaine génération peuvent exploiter des points quantiques, des nanoparticules plasmiques et des cristaux photoniques pour manipuler la lumière à des échelles de longueur d'onde. Par exemple, l'intégration de nanorodes argentées dans une matrice diélectrique peut créer des absorbeurs sensibles à la polarisation pour le NIR tout en maintenant une transparence visible.

Conclusion

Les revêtements avancés sont la clé de voûte pour faire des fenêtres solaires un élément pratique et attrayant des bâtiments durables.En gérant soigneusement le spectre solaire, ces revêtements permettent la production d'énergie, le confort thermique et la lumière naturelle dans un seul vitrage.Bien que des défis subsistent en termes de durabilité, de coûts et d'esthétique, des progrès rapides en nanotechnologie, en matériaux adaptatifs et en procédés de fabrication indiquent un avenir où les fenêtres solaires sont aussi communes que les double vitrage.Les chercheurs d'institutions comme le Nrewnable Energy Laboratory (NREL) et le Massachusetts Institute of Technology (MIT) continuent de repousser les limites, en développant des revêtements qui pourraient transformer les façades de bâtiments en centrales électriques distribuées.

For further reading, see reviews on semi-transparent perovskite photovoltaics and nanophotonic coatings for smart windows.