Les cellules solaires transparentes révolutionnent la façon dont les bâtiments produisent de l'énergie en s'intégrant sans heurts aux fenêtres et aux façades.Ces technologies innovantes permettent aux structures de produire de l'énergie renouvelable sans compromettre l'esthétique ou la lumière naturelle.À mesure que les populations urbaines grandissent et que la demande de solutions durables de construction intensifie, les photovoltaïques transparents (TPV) offrent une approche transformatrice pour transformer chaque surface de verre en générateur d'énergie.

Que sont les cellules solaires transparentes?

Les cellules solaires transparentes, également appelées panneaux solaires transparents ou photovoltaïques semi-transparents, sont une classe d'appareils photovoltaïques conçus pour être à la fois fonctionnels et visuellement discrets. Elles convertissent la lumière solaire en électricité tout en permettant à une partie importante de la lumière visible de passer à travers, les rendant idéales pour les fenêtres, les lumières de ciel, les murs de rideaux et les façades de verre entières.

Le principe fondamental consiste à absorber sélectivement les longueurs d'onde ultraviolettes (UV) et quasi infrarouges (NIR) tout en transmettant la lumière visible. Les premiers prototypes utilisaient des technologies à film mince comme le silicium amorphe ou les cellules solaires sensibilisées aux colorants (CSDS), mais les approches modernes utilisent les semi-conducteurs organiques, les perovskites et les points quantiques pour obtenir des performances plus élevées.

Contrairement aux panneaux classiques sur les toits qui nécessitent de l'espace et des structures de montage, les cellules solaires transparentes peuvent être laminées directement sur des substrats de verre ou incorporées dans des unités à double vitrage ou à triple vitrage. Cette intégration élimine la nécessité d'une utilisation supplémentaire des sols et transforme la plus grande surface d'un bâtiment, ses fenêtres, en un atout énergétique distribué.

Innovations récentes dans le domaine de la technologie

Au cours des cinq dernières années, la recherche transparente sur les cellules solaires s'est accélérée de façon spectaculaire, en raison des percées scientifiques dans le domaine des matériaux et de la demande croissante de bâtiments nets nuls.

Photovoltaïque organique (OPV)

Les photovoltaïques organiques utilisent des polymères à base de carbone et de petites molécules comme couche active. Ces matériaux peuvent être adaptés chimiquement pour absorber des bandes spécifiques du spectre solaire, ce qui les rend idéales pour des applications transparentes. Des chercheurs d'institutions comme le National Renewable Energy Laboratory (NREL) ont développé des cellules de VPO presque transparentes avec une efficacité supérieure à 12% dans des conditions de laboratoire.

Les innovations récentes portent sur la fabrication de films de grande surface, ce qui réduit les coûts de production.Par exemple, la startup allemande Heliatek produit des films de VPO ultraminces qui peuvent être appliqués sur le verre existant. Un autre développement notable est l'utilisation d'accepteurs non fullérènes (NAF), qui ont augmenté la stabilité et l'efficacité des VPO transparents.En 2024, une équipe de MIT a démontré un appareil avec une efficacité de conversion de puissance de 8,1% et un VAT de 45%, en maintenant les performances après 1 000 heures de fonctionnement continu.

Cellules solaires Perovskite

Pour des applications transparentes, les chercheurs inventent des couches fines de perovskite – souvent de quelques centaines de nanomètres d'épaisseur – pour permettre le passage de la lumière.Les perovskites à base de césium et les compositions mixtes d'halogénures permettent le réglage de bandes pour l'absorption sélective. Une étude de 2023 publiée dans Nature Energy[ a signalé une CPS semi-transparente atteignant une efficacité de 18,5 % avec 30 % d'AVT, une étape importante.

En empilant une cellule perovskite transparente sur une cellule inférieure en silicium ou en CIGS, les développeurs peuvent simultanément récolter des rayons UV/lumière visible dans la couche supérieure et NIR/infrarouge dans la couche inférieure. Cette approche renforce l'efficacité globale du système au-delà de 29 % tandis que la cellule supérieure reste principalement transparente. Des entreprises comme Oxford PV[ et Ubiquitous Energy[ commercialisent activement des modules transparents à base de perovskite pour une utilisation architecturale.

Technologies quantiques

Les points quantiques (QD) sont des cristaux semi-conducteurs nanométriques dont les propriétés optiques changent avec la taille. Cette thonabilité permet de contrôler avec précision les longueurs d'onde absorbées et transmises. Pour les cellules solaires transparentes, les QD peuvent être conçus pour capter la lumière infrarouge tout en laissant le spectre visible presque intact.

En sélectionnant les structures de la coque de base QD (p. ex., CdSe/CdS ou PbS), les fabricants peuvent produire des fenêtres qui ressemblent à du verre teinté traditionnel tout en produisant de l'électricité. L'impression en rouleau des encres QD est en cours de développement, ce qui promet une fabrication peu coûteuse. Néanmoins, le défi consiste à réduire l'utilisation de métaux lourds toxiques comme le cadmium et le plomb; les travaux récents sur les QD de phosphature d'indium (InP) offrent une alternative non toxique.

Avantages de l'intégration solaire transparente

L'adoption de cellules solaires transparentes dans les enveloppes de construction offre un large éventail de bénéfices qui vont au-delà de la simple production d'énergie.

Efficacité énergétique et potentiel net de Zéro

Les bâtiments représentent près de 40% de la consommation énergétique mondiale. En couvrant les fenêtres et les façades avec des photovoltaïques transparents, une structure peut compenser une partie substantielle de sa demande d'électricité. Les simulations du Centre commun de recherche de la Commission européenne indiquent qu'un immeuble de bureaux de taille moyenne avec une couverture de 40% BIPV sur ses façades sud et ouest pourrait générer suffisamment d'énergie pour couvrir 30 à 50% de ses besoins énergétiques annuels.

Flexibilité architecturale et esthétique

Les panneaux solaires traditionnels sont volumineux, réfléchissants et souvent en conflit avec le design architectural. Les cellules solaires transparentes, par contre, peuvent être fabriquées dans différentes teintes, opacités et motifs. Elles peuvent imiter le verre bas-e conventionnel ou même produire des façades colorées qui changent l'apparence avec l'angle du soleil. Les architectes n'ont plus besoin de cacher les panneaux sur les toits; ils peuvent intégrer la génération dans les murs de rideaux, les atriums, et même les cloisons intérieures.

Développement durable et réduction de l'empreinte carbone

En produisant de l'électricité propre sur place, le solaire transparent réduit la dépendance à l'égard de l'énergie du réseau de combustibles fossiles, abaissant directement l'empreinte carbone opérationnelle d'un bâtiment. La technologie soutient également les principes de l'économie circulaire lorsqu'ils sont conçus avec des matériaux recyclables.

Gestion thermique et réduction des éclaboussures

Certaines technologies solaires transparentes, en particulier celles utilisant le VPO ou le perovskite à film mince, absorbent naturellement la lumière infrarouge, la même chaleur qui provoque une surchauffe intérieure. Cette absorption réduit le gain de chaleur solaire par les fenêtres, réduisant la charge sur les systèmes de climatisation. Combiné à des revêtements à faible teneur en e, le verre solaire transparent peut améliorer la performance thermique globale de l'enveloppe du bâtiment.

Défis et limites

Malgré cette promesse, plusieurs obstacles techniques et économiques doivent être surmontés avant que les cellules solaires transparentes ne deviennent omniprésentes.

Échanges d'efficacité

Chaque point de pourcentage de transmission lumineuse visible supplémentaire signifie que moins de lumière est absorbée pour la production d'électricité. Les cellules solaires transparentes actuelles atteignent des rendements de 1 à 12 %, comparativement à 20 à 22 % pour les panneaux monocristallins de la meilleure classe. Pour rendre l'énergie solaire transparente économiquement viable, les chercheurs ciblent au moins 15 % de PCE avec 40 % d'AVT, objectif qui n'a pas été atteint de façon constante dans les produits commerciaux.

Coût de fabrication et scalabilité

La production de cellules solaires transparentes nécessite souvent des matériaux et des procédés spécialisés plus coûteux que la fabrication traditionnelle de verre. Par exemple, le dépôt sous vide de couches perovskite ou la synthèse de points quantiques de haute qualité ajoute des coûts. Bien que le VPO puisse être imprimé en rouleau, son efficacité et sa durée de vie sont encore inférieures au silicium. Jusqu'à ce que la fabrication améliore les rendements et que les coûts des matériaux diminuent grâce aux économies d'échelle, le VPI transparent demeurera un produit de premier plan.

Durabilité et fiabilité à long terme

Les produits solaires intégrés au bâtiment doivent supporter 25 à 30 ans d'exposition à des températures extrêmes, à l'humidité, aux rayons UV et à des contraintes mécaniques (p. ex., charges de vent, cycles thermiques). De nombreux matériaux solaires transparents, en particulier les perovskites et les semi-conducteurs organiques, se dégradent plus rapidement que le silicium. Les stratégies d'encapsulation utilisant des films de barrière ou un double vitrage peuvent prolonger la durée de vie, mais elles ajoutent de la complexité et du coût.

Questions de réglementation et de normalisation

Dans de nombreux pays, le verre BIPV doit satisfaire à la fois aux exigences en matière de vitrages structuraux (p. ex., pour la résistance aux chocs et la contrainte thermique) et aux réglementations en matière de sécurité électrique (p. ex., pour les risques d'incendie et la protection contre les défauts d'arc). L'absence de normes internationales harmonisées crée des incertitudes pour les fabricants et ralentit l'adoption.

Orientations futures et tendances de la recherche

Au cours de la prochaine décennie, des efforts concertés de recherche visant à surmonter les limites décrites ci-dessus seront déployés.

Architectures hybrides et multijonctions

La combinaison de différents matériaux absorbants en configurations tandem ou multijonction peut accroître l'efficacité globale tout en maintenant une bonne transparence. Par exemple, le cumul d'une cellule perovskite à large bande sur un gap à bande étroite OPV ou CIGS récolte un spectre plus large. Des chercheurs de KAUST ont démontré un tandem perovskite/silicon à quatre terminaux avec un AVT de 25% et une efficacité de 23%, repoussant les limites.

Concentrateurs solaires luminescentes (LSC)

Les LSC sont une alternative aux photovoltaïques à film mince. Elles sont constituées d'une plaque transparente (généralement en verre ou en acrylique) dopée de colorants luminescents ou de points quantiques. Les colorants absorbent la lumière incidente et la réémettent à une longueur d'onde plus longue, qui est ensuite guidée par une réflexion interne totale à une petite cellule photovoltaïque montée au bord de la plaque. La plaque elle-même demeure très transparente parce que les molécules de colorants n'occupent qu'une infime fraction de son volume.

Smart et commutable Transparent Solar Windows

L'intégration de la fonctionnalité électrochromique ou thermochromique dans des cellules solaires transparentes crée des fenêtres qui peuvent ajuster dynamiquement leur puissance et leur teinte. Par exemple, une cellule perovskite thermochromique peut devenir plus transparente les jours chauds pour réduire le gain de chaleur tout en passant à un mode teinté et à une puissance maximale pendant les heures plus froides. De même, les couches électrochromiques peuvent être remorquées par le système de gestion du bâtiment.

Techniques de fabrication avancées

Pour réduire les coûts, les chercheurs développent des techniques de traitement basées sur la solution qui peuvent être mises à l'échelle dans de grandes zones. Le revêtement par slot-die, la pyrolyse par pulvérisation et l'impression par jet d'encre sont en cours de raffinage pour le dépôt par OPV et par perovskite.Les collaborations industrielles, comme celle entre SolarWindow Technologies[ et le fabricant de verre NSG Group[, visent à intégrer l'impression directement dans les lignes de production de verre flottant existantes.

Conceptions biomimétiques et inspirées de la nature

Certaines écailles de coléoptères et ailes de papillons présentent des structures photoniques qui produisent une couleur frappante sans absorber beaucoup de lumière visible. Les chercheurs explorent des surfaces nanostructurées qui imitent ces structures pour améliorer le piégeage de la lumière dans les UV et les NIR sans affecter la transparence.

Conclusion

En transformant les fenêtres et les façades en générateurs d'énergie actifs, ces technologies permettent de dégager un potentiel sans précédent pour la production d'énergie renouvelable distribuée dans des environnements urbains denses. Alors que les produits actuels font encore face à des défis d'efficacité, de coût et de durabilité, le rythme de l'innovation suggère une maturation rapide.Avec des investissements soutenus dans la recherche sur les matériaux, la fabrication évolutive et les essais normalisés, les cellules solaires transparentes sont prêtes à devenir une caractéristique standard dans l'architecture durable – transformant nos lignes de ciel en centrales électriques silencieuses et propres qui respectent l'esthétique et l'environnement.