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[Cahier Technique] Avec le photovoltaïque organique, le solaire gagne en souplesse

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[Cahier Technique] Avec le photovoltaïque organique, le solaire gagne en souplesse

Flexible, transparent, léger, le film photovoltaïque organique Asca, développé par le français Armor, peut s’appliquer à différents usages.

Si le photovoltaïque représente l’une des énergies renouvelables les plus prometteuses, les panneaux à base de silicium sont peu adaptés à certaines applications. Les cellules organiques de troisième génération permettent de créer des panneaux flexibles, s’intégrant plus facilement dans les objets du quotidien.

Parmi les sources d’énergies renouvelables, le photovoltaïque est de plus en plus intégré dans les mix énergétiques. Cette technologie connaît depuis quelque temps des innovations de rupture qui en font une solution prometteuse. À côté des panneaux photovoltaïques de première et deuxième générations, l’une reposant sur une base silicium, l’autre sur de fins dépôts de semiconducteurs, une troisième génération de cellules est en cours de développement, fondée sur des matériaux organiques.

Ces cellules photovoltaïques organiques (OPV) viennent progressivement combler certaines lacunes des panneaux d’anciennes générations. S’ils produisent de l’énergie en quantité, ces derniers sont polluants, énergivores et massifs. Leur facture environnementale et leur manque de souplesse et d’adaptabilité limitent leur intégration.

1. Principe

De la physique à la chimie

La formulation des polymères (combinaison entre polymères et additifs) est au cœur de la technologie du photovoltaïque organique. La mise au point des cellules comprend deux phases : l’une mobilise la recherche fondamentale pour trouver les combinaisons de molécules permettant un rendement optimal, l’autre est axée sur le développement pour atteindre les meilleures propriétés mécaniques pour un processus de production donné.

La synthèse à façon de molécules, menée par des industriels comme Armor et des centres de recherche, est utilisée pour élaborer des semiconducteurs organiques. Leur rendement, leurs caractéristiques mécaniques et optiques, ainsi que leur domaine d’absorption de la lumière diffèrent. Ces qualités influent sur la composition de la couche active sur laquelle repose la conversion du photon en électron (FIG 1). Le rendement optimal associé à un procédé donné est donc le principal critère de sélection d’un polymère.

Pression, hygrométrie, température, dosage… sont analysés de telle sorte que la formule finale soit non seulement optimale en termes de rendement mais également de mise en œuvre à l’échelle industrielle. Cette phase est d’autant plus importante que le produit final – le film photovoltaïque organique – est une superposition de couches actives différentes qui interagissent afin de produire de l’énergie.

Conversion photon-electron


FIG 1 : Les cellules photovoltaïques classiques utilisent deux couches de matériaux semiconducteurs (généralement du siliciium), dont l'une a un excès d'électrons (n) l'autre un déficit (p). En arrivant sur la cellule, les photons déplacent les électrons créant ainsi un courant continu.

Le polymère photoactif transformant les photons en charge électrique est enserré entre deux couches d’électrodes transparentes et deux couches intermédiaires servant à orienter les électrons produits par la couche active vers les électrodes, l’une enduite d’une encre tirant les charges négatives, l’autre les charges positives.

S’ils jouent un rôle fondamental, les polymères photoactifs dépendent des différents additifs pour produire de l’énergie. Toute modification apportée à la formule de l’une des couches implique donc de repenser les formulations des autres couches du film OPV afin de préserver la qualité des interactions à l’origine de la conversion des photons en électrons. Chaque nouvelle couche de donneur et accepteur implique de revoir les couches ETL (electron transfer layer) et HTL (hole transfer layer) qui attirent à elles les charges négatives et positives. Cet ajustement est impératif afin de ne pas « perdre » les charges en route.

Enfin, il est intéressant de se pencher sur l’échange même entre les différentes molécules. L’OPV repose sur l’usage de polymères organiques, contrairement aux panneaux de première et deuxième générations, qui utilisent du silicium. Dans le processus de conversion du rayon lumineux en électricité, la couche active absorbe les photons qui sont ensuite convertis en charges électriques, ou électrons.

L’étape intermédiaire est la génération d’un exciton qui permet la génération de l’électron. Avec l’hétérojonction planaire (pour les panneaux de première et deuxième générations), l’exciton généré dans le matériau utilisé (le silicium) a une durée de vie relativement longue, permettant un important transport de celui-ci et donc une importante conversion de photons en électrons. Avec l’OPV, la durée de vie de l’exciton dans des matériaux semiconducteurs utilisés est plus faible.

Pour pallier cela, le processus d’hétérojonction volumique communément utilisé dans la technologie photovoltaïque organique vient augmenter la surface interfacielle entre le polymère donneur et le polymère accepteur (FIG. 2). Un copolymère est formulé intégrant dans sa composition des zones donneuses et des zones accepteuses. Cette structure moléculaire a pour conséquence directe une augmentation de la surface d’échange au profit d’une conversion plus importante des photons en électrons. En résumé, l’hétérojonction volumique permet de générer davantage d’électrons pour une même surface de cellule organique.

Deux types de cellules organiques


FIG. 2 L'hétérojonction planaire consiste à superposer deux polymères aux affinités électroniques différentes pour dissocier les excitons. L'hétérojonction volumique consiste en une couche de copolymères alternant des zones donneuses et accepteuses d'électrons.

Outre le rendement, le choix des polymères peut également être orienté par la notion de colorimétrie. La composition moléculaire des polymères traditionnellement utilisés dans les cellules photovoltaïques organiques leur confère une teinte grise, bleue ou verte. Ces trois couleurs sont ainsi classées par niveau de performance. Le gris est le plus efficace, car il absorbe toutes les longueurs d’onde lumineuse, puis le bleu et ensuite le vert.

Des cellules organiques rouges existent, mais avec des performances moindres. Toutefois, il existe actuellement de nombreux travaux menés afin d’augmenter cette palette et obtenir du rouge, du violet et d’autres teintes de gris ainsi que des polymères totalement transparents. Ces dernières sont une véritable gageure technique car un polymère transparent ne génère souvent que très peu d’électrons. Cette notion de couleur trouvera une importance capitale dans les applications architecturales où la dimension esthétique joue un rôle prépondérant.

2. Procédé

Une technologie imprimée

Le produit fini est testé à différentes échelles de production. À ce stade, les industriels sont peu nombreux. En France, Armor, le spécialiste de la formulation et de l’enduction d’encre en couches minces sur film fin, est l’un des rares à disposer d’une capacité de production de 1 million de mètres carrés par an, avec un équipement capable de sortir plusieurs dizaines de mètres par minute. Pour parvenir à de tels résultats, il privilégie le roll-to-roll en voie humide, qui consiste à faire transiter un support physique flexible (plastique, métal, textile) entre plusieurs rouleaux de matériaux venant s’apposer en continu sur la surface à imprimer (FIG.3). Ce procédé, plus connu du grand public pour l’impression de journaux sur rotative, est utilisé aujourd’hui dans de nombreux secteurs industriels.

Le roll-to-roll permet de produire à très grande cadence. Sa forme la plus économique est l’impression roll-to-roll en voie humide. Elle ne nécessite pas des conditions atmosphériques particulières extrêmes (pression, hygrométrie, température…), onéreuses à créer artificiellement. Les équipements les plus performants dépassent aujourd’hui les 800 m/minute en moyenne. Ainsi, les coûts de production sont très faibles, grâce à l’amortissement rapide des équipements.

Le procédé roll-to-roll


FIG.3 Inspiré des techniques d'impression classiques, le procédé roll-to-roll permet d'enduire une fine couche de polymère sur un support flexible. Il assure une production à haute cadence.

Ce bon rendement est également possible grâce à la mise au point d’encres sur mesure, dont la formulation est totalement adaptée au process roll-to-roll. Cette approche qui permet de contrôler de bout en bout le procédé industriel est impossible avec la technique du dépôt sous vide utilisée sur d’autres types de films.

Cinq couches sont imprimées en roll-to-roll sur le film photovoltaïque organique d’Armor Solar Power Films, la filiale d’Armor dédiée au photovoltaïque. Ce montage en millefeuille est encapsulé dans une couche protectrice pour isoler les polymères (la couche active) de l’oxygène, de l’humidité ou encore des rayons[…]

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