Des recherches menées par l’université du Michigan ont montré qu’une nouvelle conception de cellules solaires, plus transparente, pourrait combiner des rendements élevés avec des durées de vie estimées à 30 ans. Elle pourrait ouvrir la voie à des fenêtres qui fournissent également de l’énergie solaire.
« L’énergie solaire est la forme d’énergie la moins chère que l’humanité ait jamais produite depuis la révolution industrielle », a déclaré Stephen Forrest, professeur émérite d’ingénierie électrique Peter A. Franken, qui a dirigé les recherches. Avec ces dispositifs utilisés sur les fenêtres, votre bâtiment devient une centrale électrique.
Des cellules solaires à base de matériaux organiques
Si le silicium reste le roi de l’efficacité des panneaux solaires, il n’est pas transparent. Pour créer des panneaux solaires adaptés aux fenêtres, les chercheurs ont exploré des matériaux organiques, ou à base de carbone. Le défi pour l’équipe de Forrest était d’empêcher les matériaux organiques convertisseurs de lumière très efficaces de se dégrader rapidement.
La force et la faiblesse de ces matériaux résident dans les molécules qui transfèrent les électrons photogénérés vers les électrodes. Des électrodes qui constituent notamment un point d’entrée du circuit qui utilise ou stocke l’énergie solaire. Ces matériaux sont généralement appelés « accepteurs non fullerènes ». Appellation qui les distingue des « accepteurs fullerènes », plus robustes, mais moins efficaces, constitués de mailles de carbone à l’échelle nanométrique. Les cellules solaires fabriquées à l’aide d’accepteurs non-fullerènes qui incorporent du soufre peuvent atteindre des rendements de 18 %, supérieurs à ceux du silicium. Toutefois, elles ne durent pas aussi longtemps.
L’équipe, composée de chercheurs de l’université d’État de Caroline du Nord, de l’université de Tianjin et de l’université de Zhejiang en Chine, a entrepris de changer cela. Dans leurs expériences, ils ont montré que sans protection du matériau convertissant la lumière du soleil, l’efficacité tombait à moins de 40 % de sa valeur initiale en 12 semaines sous l’équivalent d’une illumination solaire.
« Les accepteurs non fullerènes ont un rendement très élevé. Toutefois, ils contiennent des liaisons faibles qui se dissocient facilement sous l’effet de photons à haute énergie, en particulier les photons UV [ultraviolets] courants dans la lumière du soleil », a déclaré Yongxi Li, chercheur adjoint à l’U-M en génie électrique et informatique et premier auteur de l’article paru dans Nature Communications.
Jusqu’à 80% d’efficacité même après 30 ans
En étudiant la nature de la dégradation de ces cellules solaires non protégées, l’équipe a constaté qu’il suffisait de les renforcer à quelques endroits. Tout d’abord, elles devaient bloquer la lumière UV. Pour cela, ils ont ajouté une couche d’oxyde de zinc sur le côté du verre faisant face au soleil.
Une couche d’oxyde de zinc plus fine à côté de la zone d’absorption de la lumière permet de conduire les électrons générés par le soleil vers l’électrode. L’équipe a donc ajouté une couche d’un matériau à base de carbone appelé IC-SAM pour servir de tampon.
En outre, l’électrode qui attire les « trous » chargés positivement dans le circuit peut également réagir avec l’absorbeur de lumière. Pour protéger ce flanc, ils ont ajouté une autre couche tampon. Cette fois un fullerène en forme de ballon de football.
L’équipe a ensuite testé ses nouvelles défenses sous différentes intensités de lumière solaire simulée, de la lumière typique d’un soleil à celle de 27 soleils, et à des températures allant jusqu’à 150 degrés Fahrenheit. En étudiant comment les performances se dégradaient dans ces conditions, l’équipe a extrapolé que les cellules solaires fonctionneraient encore à 80 % d’efficacité après 30 ans.
Forrest envisage un avenir où ces dispositifs « arriveront sur une fenêtre près de chez vous ». Son équipe a déjà porté la transparence du module à 40 %. Elle pense pouvoir approcher les 60 % de transparence.
Elle s’efforce également d’augmenter l’efficacité des 10 % obtenus dans les modules semi-transparents rapportés. L’objectif est ainsi de se rapprocher des 15 % que l’on pense pouvoir atteindre avec une transparence élevée. Comme les matériaux peuvent être préparés sous forme liquide, les coûts de fabrication devraient être relativement faibles.
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