Présentation

Bien que les panneaux solaires en silicium cristallin dominent le marché avec des rendements supérieurs à 22 % et des durées de vie longues, leur structure rigide et les coûts élevés de fabrication de l'énergie limitent le déploiement dans certaines applications. Les photovoltaïques organiques (OPV) offrent une approche alternative : au lieu du silicium, ils utilisent des semi-conducteurs organiques à base de carbone pour capturer la lumière et produire de l'électricité. Cette technologie promet un avenir où les cellules solaires peuvent être imprimées sur des substrats flexibles, intégrées dans des matériaux de construction et fabriquées à une fraction du coût des panneaux conventionnels.

Qu'est-ce que la photovoltaïque biologique?

Contrairement aux semi-conducteurs inorganiques comme le silicium, les molécules organiques et les polymères ont des constantes diélectriques plus faibles et forment des excitons (par exemple, des paires de trous d'électrons liés) sur les photons absorbants. Ces excitons doivent être dissociés à une interface donneur-accepteur pour générer des porteurs de charge gratuite. Les dispositifs de VPO sont généralement constitués d'une électrode transparente (par exemple, l'oxyde d'étain indium), d'une couche de transport d'électrons, d'un mélange d'hétérojonction en vrac de matériaux organiques donneurs et accepteurs, d'une couche de transport de trous et d'une électrode métallique réfléchissante, tous empilés sur un substrat pouvant être du verre, du plastique ou même du papier métallique.

La distinction clé avec le silicium photovoltaïque réside dans les propriétés du matériau. Les semi-conducteurs organiques ont des coefficients d'absorption élevés, ce qui signifie qu'ils peuvent absorber la lumière dans les films seulement quelques centaines de nanomètres d'épaisseur, environ 100 fois plus mince qu'une galette de silicium typique. Cette finesse permet de la flexibilité et de la semi-transparence.

Comment fonctionnent les VPO : la physique des cellules solaires organiques

La conversion de la lumière du soleil en électricité en OPV comporte plusieurs étapes. Premièrement, la couche organique active absorbe les photons, favorisant les électrons de l'orbitale moléculaire la plus occupée (HOMO) à l'orbitale moléculaire la plus faible non occupée (LUMO) et créant une exciton étroitement liée. Parce que les matériaux organiques ont de faibles constantes diélectriques (environ 3–4), l'attraction de Coulombic entre l'électron excité et le trou est forte — les énergies de liaison à l'exciton sont généralement 0,3–1,0 eV. Pour comparaison, en silicium l'énergie de liaison n'est qu'environ 15 meV, de sorte que l'énergie thermique à température ambiante est suffisante pour dissocier spontanément les excitons.

La solution consiste à créer une hétérojonction entre deux semi-conducteurs organiques : un donneur d'électrons et un accepteur d'électrons. Lorsqu'un exciton généré dans le donneur atteint l'interface donneur-accepteur, le décalage énergétique (différence dans les niveaux LUMO) fournit la force motrice pour séparer l'exciton, transférant l'électron vers l'accepteur. Ce processus, appelé transfert de charge photoinduite, se produit sur les échelles de temps femtoseconde. Une fois séparé, l'électron doit passer par le matériau accepteur jusqu'à la cathode, tandis que le trou passe par le donneur vers l'anode. Les porteurs de charge peuvent se recombiner s'ils n'atteignent pas leurs électrodes respectives assez rapidement, de sorte que le transport et les couches d'extraction de charge efficaces sont essentiels aux performances du dispositif.

La morphologie active de la couche, le mélange nanométrique du donneur et de l'accepteur, est cruciale. L'architecture d'hétérojonction en vrac, où le donneur et l'accepteur sont mélangés, maximise la zone d'interface tout en fournissant des voies continues pour les électrodes et les trous.

Matériaux clés en photovoltaïque organique

Matériel pour donateurs

Les premiers donneurs de VPO étaient des polymères conjugués comme le poly(3-hexylthiophène) (P3HT), qui absorbent principalement dans la région bleu-vert et atteignent des rendements modestes. Au cours de la dernière décennie, les donneurs ont évolué pour inclure des polymères à faible bande et de petites molécules qui étendent l'absorption dans le proche infrarouge.

Matériaux d'acceptation

Les NFA comme l'ITIC et Y6 sont des molécules à anneaux fondus qui absorbent fortement dans le proche infrarouge, complétant l'absorption du donneur. La molécule Y6, développée par Zou et ses collègues, a permis une efficacité de VPO supérieure à 15% en 2019. Depuis, des variantes comme les dérivés Y6 et les L8-BO récemment développés ont poussé les enregistrements de VPO à une seule jonction à plus de 19%. Les cellules Tandem (multi-jonction) ont atteint 20,8% en 2022.

Couches interfaciales et de transport

Les matériaux comme l'oxyde de zinc (ZnO), le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) le sulfonate de polystyrène (PEDOT:PSS) et le MoO3 sont couramment utilisés comme couches de transport d'électrons ou de trous.

Avantages de la photovoltaïque biologique

Flexibilité et légèreté

Comme les couches de VPO peuvent être déposées sur des supports en plastique, en métal ou en papier à basse température (inférieur à 150°C), les dispositifs qui en résultent sont extrêmement souples et légers, parfois inférieurs à 1 kg par mètre carré. Cela permet l'intégration dans des surfaces courbes, des chargeurs portables, des toits automobiles et même des tissus pour la récolte d'énergie.

Possibilité de fabrication à faible coût

La fabrication de l'OPV utilise des procédés basés sur la solution, tels que le revêtement par slot-die, le revêtement par vaporisation, l'impression jet d'encre et l'impression en rouleau à laminoir, qui fonctionnent à la pression ambiante et à des températures modérées. Cela contraste fortement avec le dépôt à haute température et à vide élevé requis pour les cellules inorganiques en silicium et en mince film.

Sémi-transparence et tunabilité des couleurs

Les couches actives du VPO peuvent être semi-transparentes en sélectionnant des matériaux qui absorbent principalement dans le proche infrarouge, permettant la circulation de la lumière visible. Cette propriété est idéale pour les photovoltaïques intégrés au bâtiment (BIPV) - fenêtres, puits de lumière et façades qui génèrent de l'électricité tout en maintenant le jour.

Avantages pour l'environnement

Les matériaux organiques sont principalement composés de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et d'azote et peuvent être synthétisés à partir de matières premières renouvelables dans certains cas. Bien que les VPO actuels utilisent toujours l'oxyde d'étain (ITO) comme électrode transparente — l'indium est rare et toxique — les chercheurs développent des solutions de rechange telles que les nanofils d'argent, les nanotubes de carbone et le graphine.

Défis actuels face à la photovoltaïque organique

Efficacité de conversion de puissance

Malgré des progrès rapides, l'efficacité record pour les VPO monojonction (~19 %) est encore inférieure à la meilleure teneur en silicium (26,8 % pour les cellules monocristallines) et les cellules solaires perovskite (26 %). Dans les modules pratiques, l'efficacité diminue à 12–15% en raison des pertes d'échelle.

Stabilité et longévité

Les matériaux organiques se dégradent sous un éclairage continu, en particulier en présence d'oxygène et d'humidité. La photo-oxydation de la couche active, la migration des électrodes métalliques et les changements morphologiques de l'hétérojonction en vrac réduisent la durée de vie des appareils. Bien que les VPO encapsulés puissent maintenant survivre des milliers d'heures dans des essais accélérés (protocoles ISOS), les durées de vie opérationnelles de 10 à 20 ans, typiques des panneaux de silicium, demeurent un défi.

Écaillage des grandes surfaces

La fabrication de laminoirs est rapide, mais il est difficile de produire des films uniformes et exempts de défauts sur de grandes surfaces. Les trous, les variations d'épaisseur du revêtement et la rugosité du substrat peuvent causer des fuites et un facteur de remplissage réduit. Pour les modules dont les surfaces sont supérieures à 100 cm2, l'efficacité de conversion de puissance diminue souvent de 20 à 30 % par rapport aux petites cellules.

Dépendance à l'oxyde d'étain indium

L'Indium est une ressource rare avec un coût élevé et une toxicité environnementale. Remplacer l'ITO par des conducteurs transparents à base de carbone ou des grilles métalliques est un domaine de recherche actif. Les électrodes en nanofils d'argent ont montré des promesses, mais ils souffrent de corrosion et de haute résistance aux tôles à faibles densités.

Procédés de fabrication : du laboratoire à Fab

La transformation du VPO du laboratoire à la production commerciale nécessite une fabrication évolutive et à haut rendement. L'approche la plus mature est le revêtement par slot-die de rouleau à rouleau (R2R) sur des feuilles de polymères flexibles (p. ex., polyéthylène téréphtalate (PET) ou polyéthylène naphtalate (PEN)). Dans le R2R, le substrat se détend d'un rouleau, passe par des stations de revêtement pour chaque couche (avec des fours à séchage entre les deux), puis rebobine un module fini. Solliance (Pays-Bas) et InfinityPV (Danemark) ont démontré que les modules du VPO produits en continu avec le PCE ont été fabriqués entre 8 et 10 % sur plusieurs mètres.

Des méthodes d'impression telles que la gravure, la flexographie et l'impression jet d'encre permettent un patronage précis, permettant la fabrication de modules solaires transparents avec des motifs esthétiquement agréables pour l'intégration du bâtiment.

Un avantage clé de la fabrication d'OPV est la faible énergie incarnée. Une évaluation de berceau à porte constate que les modules d'OPV nécessitent environ 5 à 10 % de l'énergie primaire nécessaire pour produire des panneaux de silicium.

Demandes et nouveaux cas d'utilisation

Photovoltaïque intégrée au bâtiment (BIPV)

Les panneaux de protection anti-pollution, la semi-transparence, la tunaability couleur et la flexibilité légère les rendent idéales pour les fenêtres, les murs de rideaux et les atrias. Des entreprises comme Heliatek (Allemagne) produisent des films OPV flexibles qui peuvent être stratifiés sur les surfaces de construction existantes sans renforcement structurel.

Électronique portable et hors réseau

Pour les loisirs extérieurs, les VPO offrent un moyen de générer de l'énergie sans panneaux de silicium lourds. Dans le contexte humanitaire, les VPO roulants peuvent être arrimés à l'air pour fournir une alimentation d'urgence pour les dispositifs médicaux et les communications dans les zones de catastrophe.

Agriculture (agrivotique)

Les films de VPO semi-transparents peuvent être déployés sur des serres ou des champs agricoles, permettant ainsi à une partie de la lumière du soleil de passer pour la croissance végétale tout en produisant de l'électricité. Parce que les VPO peuvent absorber principalement dans le proche infrarouge (qui est moins efficace pour la photosynthèse), ils peuvent être conçus pour transmettre le rayonnement photosynthèse actif (PAR) pendant la récolte d'énergie.

Applications internes et IdO

Les OPV peuvent être optimisés pour récolter la lumière intérieure (fluorescente ou LED), où ils surpassent déjà les cellules de silicium en efficacité parce que les matériaux organiques correspondent mieux au spectre intérieur. Cela les rend idéales pour alimenter les capteurs Internet des objets (IoT), les étiquettes intelligentes et les dispositifs de surveillance à distance. Avec la croissance des bâtiments intelligents et des jumeaux numériques, les capteurs à moteur OPV pourraient éliminer le besoin de remplacement de batteries dans des dizaines de millions d'appareils.

Exemple de mise en œuvre : Wearables

Les chercheurs de l'Université de Cambridge ont développé des fibres OPV qui peuvent être tissées en tissu. Combinées à des piles à film mince, une veste pourrait générer assez de puissance pour faire fonctionner un smartphone ou un traqueur GPS pendant une journée d'activité extérieure. Bien que toujours à l'étape du prototype, de tels dispositifs pourraient devenir commerciaux dans les cinq ans.

Recherche récente

En 2019, l'accepteur Y6 a permis un PCE de 15,7% (Zou et al.). En 2021, l'efficacité record a atteint 18,2% (Cui et al., 2021), et en 2023, les équipes indépendantes ont déclaré 19,3% pour les cellules à simple jonction utilisant un nouvel accepteur appelé L8-BO. Les cellules Tandem OPV, qui empilent deux couches absorbantes complémentaires, ont dépassé 20% PCE. Selon le meilleur diagramme d'efficacité de recherche-cellule de NREL, les gains d'efficacité du PVV ont presque doublé depuis 2018.

Les modules encapsulés de VPO basés sur le système PM6:Y6 ont maintenu >80% de la performance initiale après 10 000 heures d'éclairage continu à 1 soleil (équivalent à environ 3-4 ans d'exposition à l'extérieur dans des climats modérés). De nouvelles stratégies pour supprimer la photooxydation, comme l'ajout de filtres à oxygène et à ultraviolet, ont prolongé la durée de vie.

Sur le front de la fabrication, des chercheurs de l'Université de Californie, Santa Barbara, ont démontré des modules de VPO imprimés entièrement en rouleau sur des substrats flexibles avec un PCE de 12,2%, utilisant des solvants non halogénés – un pas vers la production respectueuse de l'environnement. En outre, le développement de dispositifs sans ITO utilisant des électrodes en nanofil argent combiné avec des intercouches de graphine ou de polymères conducteurs a atteint PCE >10% sur de grandes surfaces, réduisant la dépendance sur des éléments rares.

Perspectives commerciales et commerciales

Alors que les VPO représentent actuellement moins de 0,1 % du marché mondial du photovoltaïque, plusieurs startups et entreprises établies augmentent la production. Heliatek (Allemagne) produit des films VPO pour façades et serres de bâtiment, revendiquant un PCE d'environ 10% en modules. InfinityPV (Danemark) offre des chargeurs VPO mobiles pour les consommateurs. Les chercheurs prédisent que, comme les rendements approchent de 20% et les durées de vie dépassent 10 ans, les VPO pourraient capter une part significative des segments flexibles et BIPV, ce que l'Agence internationale de l'énergie (AIE) estime être de 10 à 20 milliards de dollars par an d'ici 2030.

Si les modules OPV peuvent être produits à 0,20 $–0,50 $/Wp (contre 0,10 $–0,30 $/Wp pour le silicium), leur facteur de forme unique et leur faible poids permettront de réaliser des applications où le silicium ne peut pas concurrencer. Par exemple, le remplacement d'une batterie dans un capteur sans fil pourrait coûter 10 $–0,20 $ par capteur; un module OPV coûtant 0,50 $ pourrait se payer en un an tout en éliminant les déchets de batterie.

Cependant, les VPO doivent surmonter la perception d'être -- faible efficacité et -- non-stable.--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Conclusion

Les photovoltaïques organiques sont une technologie solaire en évolution rapide qui peut compléter - et remplacer dans certaines applications - les panneaux de silicium conventionnels. Leurs propriétés uniques de flexibilité, de faible poids, de semi-transparence et de fabrication à faible coût ouvrent de nouveaux marchés tels que les systèmes solaires intégrés au bâtiment, l'électronique portable, les appareils portables, les films agricoles et les capteurs IoT. Bien que des défis d'efficacité, de stabilité et d'évolutivité sur de grandes surfaces demeurent, la décennie écoulée a connu des progrès extraordinaires : les rendements records sont passés de 12 % à plus de 20 %, la durée de vie opérationnelle s'est améliorée de mois en années et les procédés de fabrication ont progressé vers la faisabilité commerciale.