Qu'est-ce que la photovoltaïque biologique?

Contrairement aux panneaux solaires inorganiques classiques qui reposent sur des plaquettes rigides en silicium, les panneaux solaires organiques utilisent des films minces de semi-conducteurs organiques déposés sur des substrats flexibles tels que le plastique, le papier ou les feuilles métalliques. La couche active d'un dispositif de VPO consiste généralement en un mélange d'un polymère donneur d'électrons et d'une molécule d'acceptation d'électrons et de 8212; souvent un dérivé de plein-rène ou un accepteur de non-fullérène et 8212; formant une structure d'hétérojonction en vrac qui maximise la zone interfaciale pour la séparation de la charge.

Le principe fondamental de fonctionnement commence quand un photon est absorbé par le semi-conducteur organique, excitant un électron de l'orbitale moléculaire occupée la plus élevée à l'orbitale moléculaire la plus basse inoccupée, créant un exciton étroitement lié. Cette exciton diffuse à l'interface donneur-accepteur, où se produit le transfert de charge, générant des porteurs de charge gratuite qui sont ensuite recueillis aux électrodes. L'ensemble du processus se produit sur des échelles de temps extrêmement courtes, généralement en picosecondes à nanosecondes, et la morphologie de la couche active détermine de façon critique les performances du dispositif.

Le domaine des photovoltaïques organiques a considérablement progressé depuis la première démonstration d'un dispositif bicouche OPV par Ching Tang à Eastman Kodak en 1986, qui a atteint environ 1% d'efficacité de conversion de puissance. Aujourd'hui, les cellules OPV à l'échelle du laboratoire ont dépassé 19% d'efficacité, et la recherche continue de pousser au-delà de 20%, approcher la viabilité pour des applications commerciales.

Comment les VPO se différencient des cellules solaires en silicone

Les cellules de silicium cristallin atteignent des rendements supérieurs à 26 % en laboratoire et maintiennent une durée de vie opérationnelle de 25 à 30 ans avec une dégradation minimale. Les VPO, par contre, offrent une proposition de valeur fondamentalement différente, fondée sur une fabrication à bas coût et une flexibilité mécanique plutôt que sur une efficacité brute.

Les cellules en silicone nécessitent un traitement à haute température, un dépôt sous vide et des conditions de salle propre, ce qui entraîne une hausse des coûts d'investissement. Les VPO peuvent être fabriqués à l'aide d'impression en rouleau, d'un revêtement par slot-die ou d'un dépôt en pulvérisation dans des conditions ambiantes, réduisant considérablement le temps de récupération d'énergie et la complexité de la fabrication.

Une autre différence fondamentale réside dans l'absorption de la lumière. Le silicium est un semi-conducteur indirect de bande, ce qui signifie qu'il nécessite des couches relativement épaisses et #8212; des centaines de micromètres et #8212; pour absorber suffisamment de lumière solaire. Les semi-conducteurs organiques ont des bandes directes avec des coefficients d'absorption élevés, permettant aux couches actives seulement 100 à 300 nanomètres d'épaisseur pour capturer la plupart des photons incidents.

Principaux avantages de la photovoltaïque biologique

Les avantages des VPO s'étendent à tous les scénarios de fabrication, de déploiement et d'utilisation finale. Chacun d'eux est tiré des propriétés physiques et chimiques uniques des semi-conducteurs organiques et des méthodes de traitement qu'ils permettent.

Flexibilité mécanique et facteur de forme

Les semi-conducteurs organiques peuvent être déposés sur des substrats plastiques tels que le polyéthylène téréphtalate ou le polyéthylène naphtalate, produisant des cellules solaires qui peuvent être courbées, roulées ou enveloppées autour de surfaces courbes.Cette flexibilité permet d'intégrer les VPO dans les matériaux de construction, les panneaux de carrosserie du véhicule et l'électronique portable de manière que les panneaux de silicium rigide ne puissent pas correspondre.

Construction légère

Comme les couches organiques actives sont de moins d'un micromètre d'épaisseur et que les substrats flexibles sont beaucoup plus légers que le verre, les modules OPV peuvent peser aussi peu que quelques centaines de grammes par mètre carré. Ce faible poids est essentiel pour des applications telles que les drones, les véhicules électriques et les équipements militaires portables, où chaque kilogramme de charge utile réduit la portée ou l'endurance.

Fabrication à faible coût

La capacité de traiter les semi-conducteurs organiques à partir de la solution permet l'impression à haute vitesse en rouleau à rouleau, analogue à la façon dont les journaux et les emballages sont produits. Aucune étape de vide n'est requise, et l'apport énergétique pour la fabrication est nettement inférieur à celui du silicium. Des analyses technico-économiques récentes projettent que les coûts des modules OPV pourraient tomber sous 0,50 $ par watt une fois que les balances de fabrication atteignent le niveau de gigawatt, comparativement à environ 0,20 $ à 0,30 $ par watt pour le silicium cristallin aujourd'hui.

Propriétés optoélectroniques tunables

Les chimistes organiques peuvent modifier la structure moléculaire des matériaux donneurs et accepteurs pour déplacer les spectres d'absorption, ajuster les niveaux d'énergie et améliorer le transport des charges. Cette capacité permet de concevoir des VPO pour des conditions d'éclairage spécifiques, comme la lumière intérieure ou diffuse, où ils peuvent surperformer le silicium. Par exemple, les VPO optimisés pour l'éclairage intérieur ont démontré des gains d'efficacité supérieurs à 26 % sous éclairage LED, ce qui les rend attrayants pour alimenter des capteurs Internet des objets et des dispositifs intelligents dans les bâtiments.

Semipraparence et personnalisation des couleurs

En contrôlant l'épaisseur et la composition de la couche active, les VPO peuvent être réalisés semi-transparents avec des tons de couleur neutres ou sur mesure. Cette propriété est particulièrement précieuse pour les photovoltaïques intégrés au bâtiment, où les considérations esthétiques déterminent souvent l'adoption.

Limites actuelles et défis techniques

Malgré ces avantages, les VPO doivent surmonter des obstacles importants avant que la commercialisation généralisée ne puisse se produire. Les trois défis les plus pressants sont l'efficacité de la conversion de puissance, la stabilité opérationnelle et l'évolutivité.

Contraintes d'efficacité

Les rendements de conversion de puissance les plus élevés signalés pour les VPO monojonction selon l'éclairage AM1.5G standard sont d'environ 19 à 20%, comparativement à plus de 26% pour le silicium cristallin et à 47% pour les cellules concentratrices multijonction. Les modèles théoriques suggèrent que les VPO monojonction ont une efficacité maximale réalisable d'environ 25 à 27% en raison de la limite Shockley-Queisser, qui limite toutes les cellules solaires monojonction.

L'écart d'efficacité par rapport au silicium se rétrécit, mais les modules de VPO dans la production commerciale ne atteignent généralement que 10 à 15 %, avec des pertes importantes au cours de l'expansion des petites cellules de laboratoire vers les modules de grande surface.

Stabilité opérationnelle et durée de vie

Les matières organiques sont intrinsèquement sensibles à la dégradation de l'oxygène, de l'humidité, des rayons ultraviolets et des contraintes thermiques. Les VPO non encapsulés peuvent perdre leur performance dans les heures suivant l'exposition aux conditions ambiantes.

Les mécanismes de dégradation sont complexes et interconnectés. La photo-oxydation décompose l'épine dorsale des polymères, tandis que les changements morphologiques de l'hétérojonction en vrac réduisent l'efficacité de séparation de charge. Les réactions interfaciales entre la couche active et les matériaux de l'électrode peuvent créer des couches de barrière qui empêchent l'extraction de charge. Les chercheurs développent des structures moléculaires intrinsèquement stables, des stratégies d'encapsulation et des architectures de dispositifs pour prolonger la durée de vie opérationnelle au-delà de 15 ans.

Échelle et cohérence de la fabrication

Le maintien de l'uniformité de l'épaisseur du film, le contrôle de la morphologie lors du dépôt à grande vitesse et la garantie de performances électriques reproductibles dans de grandes zones nécessitent un contrôle précis du processus. Le revêtement par slot et l'impression par gravitation ont montré des promesses, mais les densités de défauts restent plus élevées que celles obtenues dans la fabrication du silicium, limitant le rendement et les performances des modules de production.

Fourniture de matériel et durabilité

De nombreux matériaux de haute performance de l'OPV dépendent d'éléments rares ou toxiques, bien que moins que certaines technologies de film mince comme le telluride de cadmium. L'oxyde d'étain, le matériau standard transparent de l'électrode, contient de l'indium, qui est relativement rare et sujet à la volatilité des prix. Les chercheurs développent des solutions de rechange comme les nanofils d'argent, les nanotubes de carbone et les polymères conducteurs pour remplacer l'oxyde d'étain d'indium.

Les frontières de la recherche

La communauté de recherche du VPO continue de repousser les frontières entre les multiples fronts, de la chimie des matériaux à la physique des appareils à la science de la fabrication.

Accepteurs non complets

Contrairement aux accepteurs basés sur le fullérène, qui ont une absorption limitée dans le spectre visible et une faible stabilité morphologique, les accepteurs non basés sur le fullérène, tels que le Y6 et ses dérivés, offrent une forte absorption, des niveaux d'énergie thoneux et des propriétés d'emballage supérieures. Les appareils incorporant le Y6 et les molécules apparentées ont atteint une efficacité supérieure à 18 % dans les cellules mono-junction et ont démontré une stabilité thermique significative par rapport aux systèmes basés sur le fullérène.

Architectures de Tandem et Multijonction

Les VPO Tandem empilent deux ou plusieurs sous-cellules avec des spectres d'absorption complémentaires pour réduire les pertes de thermalisation et augmenter la tension globale. Un modèle typique de tandem associe une cellule avant à large bande (en absorbant la lumière bleue et verte) avec une cellule arrière à bande étroite (en absorbant la lumière rouge et quasi infrarouge). Les VPO Tandem ont démontré des gains d'efficacité supérieurs à 19 % dans les paramètres de laboratoire, et les simulations suggèrent que les architectures optimisées à triple jonction pourraient approcher 25 à 30 %.

Encapsulation et technologie de barrière

L'extension de la durée de vie des VPO nécessite une encapsulation qui empêche l'entrée d'oxygène et de vapeur d'eau. L'encapsulation traditionnelle en verre offre d'excellentes propriétés de barrière mais ne permet pas d'obtenir l'avantage de flexibilité des VPO. Des films de barrière flexibles utilisant des couches alternées d'oxydes inorganiques et de polymères organiques peuvent atteindre des vitesses de transmission de vapeur d'eau inférieures à 10[-4 g/m2/jour, suffisantes pour protéger les VPO pendant des années.

Techniques de fabrication à grande échelle

La transition du revêtement par spin en laboratoire au dépôt industriel nécessite des méthodes robustes et à haut rendement. Le revêtement par slot est actuellement la technique la plus largement étudiée pour la fabrication de VPO, car il offre un bon contrôle de l'épaisseur, une utilisation élevée des matériaux et une compatibilité avec le traitement par rouleau à rouleau. L'impression sur gravure, l'impression à jet d'encre et le revêtement par pulvérisation sont également en cours d'étude, chacun offrant différents compromis entre la résolution, la vitesse et le coût en capital.

Apprentissage automatique et dépistage à haut débit

Les modèles d'apprentissage automatique de synthèse et de caractérisation permettent un dépistage à haut débit, accélérant considérablement la découverte de nouveaux matériaux donneurs et accepteurs. Des groupes de recherche dans des établissements comme l'Université de Chicago et l'Université de Cambridge ont démontré des systèmes d'optimisation en boucle fermée qui peuvent identifier des matériaux à haut rendement dans une fraction du temps requis par les approches traditionnelles.

Applications et potentiel du marché

Les propriétés uniques des VPO ouvrent des applications où les panneaux de silicium traditionnels sont inappropriés, soit en raison du poids, de la rigidité, de l'apparence ou des contraintes de coûts. Bien que les VPO ne puissent pas remplacer le silicium dans les installations de grande envergure, ils occupent à court terme une place de plus en plus importante dans l'intégration des bâtiments, l'électronique grand public et les applications spécialisées.

Photovoltaïque intégrée au bâtiment

Le programme Horizon 2020 de la Commission européenne a financé plusieurs démonstrations à grande échelle d'enveloppes de bâtiments intégrées au VPO, montrant que ces systèmes peuvent générer des quantités significatives d'électricité tout en maintenant la qualité esthétique. Les fenêtres semi-transparentes du VPO offrent des promesses particulières, car elles peuvent réduire les charges de refroidissement en bloquant le rayonnement infrarouge tout en générant de l'énergie. Les analystes du marché prévoient que le marché photovoltaïque intégré au bâtiment pourrait atteindre 30 milliards de dollars d'ici 2030, les VPO détenant une part significative.

Le pouvoir intérieur et Internet des objets

La collecte de lumière à l'intérieur est l'une des applications à court terme les plus rentables pour les VPO. Les cellules organiques peuvent être optimisées pour correspondre au spectre de l'éclairage artificiel, atteindre des rendements supérieurs à 20% sous éclairage fluorescent ou LED. Cela les rend idéales pour alimenter des capteurs sans fil, des thermostats intelligents, des étiquettes de rayonnage électronique et d'autres dispositifs IoT de faible puissance, éliminant le besoin de remplacement de batterie et de réduction des déchets électroniques.

Électronique portable et portable

La flexibilité et le faible poids des VPO en font des candidats naturels pour l'intégration dans les vêtements, les sacs à dos et les chargeurs portables. Un module flexible VPO cousu dans une veste peut charger un smartphone pendant les activités de plein air, tandis qu'un panneau roulant léger peut fournir une puissance d'urgence pour le camping ou les secours en cas de catastrophe.

Applications agricoles et environnementales

Les chercheurs ont montré que certaines cultures poussent bien sous des canopées OPV qui filtrent des longueurs d'onde spécifiques tout en convertissant d'autres en électricité. De même, les OPV peuvent être déployés dans des serres pour générer de l'énergie tout en transmettant des rayonnements photosynthèsement actifs. Dans les stations de surveillance de l'environnement à distance, les modules OPV légers peuvent être démantelés ou transportés par des drones pour fournir de l'énergie localisée sans avoir besoin de batteries lourdes ou de carburant.

Véhicules électriques et drones

L'industrie automobile étudie les VPO pour les intégrer dans les toits, les hottes et les panneaux de carrosserie afin de fournir une puissance auxiliaire pour le contrôle climatique, les systèmes d'infodivertissement et la charge de batterie. Bien que la puissance générée soit modeste et #8212; habituellement des dizaines à des centaines de watts selon la surface du véhicule et #8212; il peut étendre significativement la portée de conduite dans les conditions urbaines.

La voie à suivre: économie et commercialisation

Plusieurs entreprises ont mis la production à l'échelle à des niveaux pilotes ou commerciaux précoces, dont Heliatek en Allemagne, InfinityPV au Danemark et Nikola Tesla Technologies au Royaume-Uni. Ces fabricants ciblent des applications verticales spécifiques plutôt que de concurrencer directement le silicium sur le marché des services publics. Le produit HeliaSol d'Heliatek, par exemple, est un film adhésif léger conçu pour être adapté aux façades et aux toits de bâtiments où les limitations structurelles empêchent l'installation de panneaux conventionnels.

Les modèles économiques suggèrent que les VPO deviennent concurrentiels lorsque le coût de l'électricité nivelé tombe en dessous d'environ 0,10 $ à 0,15 $ par kilowatt-heure pour les applications intégrées dans les bâtiments. Pour y parvenir, il faut une efficacité des modules supérieure à 12 %, une durée de vie supérieure à 10 ans et des coûts de fabrication inférieure à 0,30 $ par watt. Les modules commerciaux actuels approchent ces objectifs mais n'ont pas encore atteint tous simultanément.

Les tarifs d'entrée, les codes du bâtiment qui exigent la production sur place et les programmes de certification des bâtiments écologiques qui récompensent l'intégration des énergies renouvelables créent tous un effet de levier sur le marché pour les produits de VPO. De plus, les règlements élargis sur la responsabilité des producteurs qui exigent la réduction des déchets électroniques peuvent inciter à utiliser des technologies solaires plus légères et moins toxiques.

L'Agence spatiale européenne a testé des modules OPV sur la Station spatiale internationale, et les résultats indiquent une stabilité prometteuse dans les conditions de vide et de rayonnement de la basse orbite terrestre. Des panneaux OPV légers et roulants pourraient réduire les coûts de lancement des petits satellites et fournir de l'énergie pour les sondes d'espace profond où les contraintes de poids sont sévères.

Conclusion

Les photovoltaïques organiques occupent une position particulière dans le paysage des énergies renouvelables, ils ne remplaceront pas les panneaux solaires au silicium dans les grandes centrales, et ils ne devraient pas non plus être remplacés par des applications où la flexibilité, le poids léger, la semi-transparence et la fabrication à faible coût sont des avantages décisifs.

Les progrès de la dernière décennie, qui ont été largement motivés par le développement d'accepteurs non fullérènes et d'architectures améliorées, ont été remarquables. Des défis subsistent, notamment en démontrant la fiabilité à long terme et en réalisant une fabrication à grande échelle rentable, mais la trajectoire est clairement positive. Avec des investissements continus dans la recherche et le développement, les photovoltaïques organiques trouveront probablement leur place non pas comme un remplacement de la technologie solaire existante mais comme une technologie complémentaire qui permet la récolte d'énergie solaire dans des formes et des endroits qui étaient auparavant peu pratiques.