Solutions photovoltaïques flexibles combinant haute performance et grande portée
L'énergie solaire est devenue un enjeu de premier plan alors que le monde cherche à réduire sa dépendance à l’égard des combustibles fossiles et à adopter des sources d’électricité plus propres et plus durables. Les cellules solaires organiques à base de polymères constituent un substitut prometteur aux cellules photovoltaïques classiques à base de silicium en raison de leur conception rentable et légère.
Avantages des cellules solaires organiques à base de polymères
«Les cellules solaires organiques à base de polymères de nouvelle génération présentent plusieurs avantages par rapport aux convertisseurs d’énergie solaire traditionnels, en particulier pour les applications de niche», fait remarquer Riccardo Po, coordinateur de LABandFAB, un projet financé dans le cadre du programme Actions Marie Skłodowska-Curie. Leur mécanisme de fonctionnement repose sur le transfert d’électrons photoinduit entre un donneur polymère et une molécule acceptrice, ce qui permet de convertir efficacement l’énergie solaire. En principe, les cellules photovoltaïques organiques peuvent être fabriquées au moyen de procédés d’impression ou de revêtement à basse température utilisant des encres à base de solvants, ce qui assure leur compatibilité avec les substrats plastiques flexibles. «Les récentes percées réalisées par les laboratoires dans le domaine des cellules photovoltaïques organiques ont permis d’accroître les rendements de conversion d’énergie jusqu’à 20 % grâce à une meilleure ingénierie des matériaux, à un contrôle minutieux de la morphologie de la couche photoactive et à l’adoption d’architectures de dispositifs spécifiques», explique Riccardo Po. Malgré ces progrès, l’application commerciale généralisée de cette technologie reste inexploitée.
Défis afférents à la commercialisation des cellules photovoltaïques organiques
«Le succès commercial de la technologie photovoltaïque organique repose sur la transposition des résultats de la recherche en laboratoire sur des modules de grande surface produits dans des centres d’impression à haut débit», ajoute Riccardo Po. «Une série de facteurs liés à la complexité des matériaux et à la technologie de fabrication continuent toutefois d’entraver le développement du photovoltaïque organique.» L’une des exigences fondamentales pour l’impression d’une solution d’encre active est d’obtenir une épaisseur de film suffisante pour éviter la formation de trous minuscules et les courts-circuits dans les dispositifs photovoltaïques. La plupart des études publiées sur les dispositifs à haute efficacité fondés sur des accepteurs non-fullerènes indiquent des épaisseurs d’environ 100 nm. Alors que ces épaisseurs sont compatibles avec les techniques de dépôt à l’échelle du laboratoire, comme l’enduction centrifuge, elles ne sont toutefois pas adaptées aux techniques de dépôt «roll-to-roll». Cette différence d’évolutivité constitue un défi lorsqu’il s’agit de passer de la recherche en laboratoire à la production commerciale. Les chercheurs ont mis en place le projet LABandFAB afin d’aplanir ces obstacles et de commercialiser les cellules photovoltaïques organiques. L’équipe du projet a étudié de nouveaux matériaux et de nouvelles techniques qui permettraient d’améliorer l'efficacité et la stabilité de cette technologie. Parmi ces nouvelles techniques, on peut citer la synthèse d’un nouveau polymère conjugué affichant une faible complexité synthétique (ce qui se traduit par des coûts matériels moins élevés), un rendement de conversion de l’énergie avoisinant les 10 % et une stabilité au stockage de plus de 2 300 heures. «Nous avons étudié des techniques de dépôt compatibles «roll-to-roll», notamment le couchage à la lame, qui permettent de fabriquer des cellules solaires organiques à l’aide de solvants non chlorés», fait remarquer Riccardo Po. «Cette approche respectueuse de l’environnement permettrait de réduire considérablement le coût et la complexité de la production de cellules solaires organiques, la rendant ainsi plus accessible pour les applications commerciales.»
Équilibre entre performances et accessibilité
Au côté de l’importance de l’amélioration du rendement énergétique, LABandFAB a également mis en lumière la nécessité de trouver un équilibre entre performances et accessibilité. Une méta-analyse a révélé la diminution inéluctable de l’efficacité de la couche photovoltaïque organique due à l’augmentation de son épaisseur. Cette diminution ne peut être que partiellement atténuée par l’utilisation judicieuse de ressources hautement spécialisées. Par conséquent, un nouveau facteur de mérite a été proposé pour sensibiliser les chercheurs à cette question souvent négligée. LABandFAB s’est également attaché à élaborer des méthodes d’encapsulation et de nouvelles approches prévisionnelles pour les études de stabilité, qui contribueront à rationaliser le processus de test et d’évaluation des nouveaux matériaux et des nouvelles conceptions photovoltaïques organiques. Malgré le démarrage tardif du projet LABandFAB imputable aux restrictions liées à la COVID-19, des progrès significatifs ont permis d’accélérer le développement de cellules solaires organiques à base de polymères. Les conclusions du projet ont généré de précieuses informations pour la communauté des chercheurs dans le domaine du photovoltaïque organique, qui ont débouché sur deux publications à impact élevé publiées dans les revues Advanced Materials et Solar RRL.
Mots‑clés
LABandFAB, cellules solaires organiques à base de polymères, photovoltaïque organique, accessibilité, flexibilité, évolutivité, dépôt «roll-to-roll»
