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Énergie solaire : la cellule photovoltaïque autocollante est née !

Des cellules photovoltaïques à couches minces rigides peuvent désormais être transférées sur des supports souples, le tout sans perte de rendement ! Cette opération nécessite un peu de nickel, de l’eau, un ruban en polymère et de l’adhésif double face. Voici le mode d’emploi à suivre. Il a été approuvé pour les cellules en silicium amorphe.

Dorénavant, il existe une méthode pour produire des cellules photovoltaïques à couches minces flexibles ayant le même rendement que leurs homologues rigides. Leur coût de production ne devrait pas être plus élevé, puisque les galettes de silicium de départ sont réutilisables. © Université de Stanford

Dorénavant, il existe une méthode pour produire des cellules photovoltaïques à couches minces flexibles ayant le même rendement que leurs homologues rigides. Leur coût de production ne devrait pas être plus élevé, puisque les galettes de silicium de départ sont réutilisables. © Université de Stanford

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Les panneaux solaires présentent deux inconvénients majeurs : ils sont lourds et surtout rigides, ce qui limite fortement leurs possibilités d’utilisation. En réponse à ces problèmes, des cellules photovoltaïques dites à couches minces ont vu le jour. Grâce à leur faible épaisseur (quelques dizaines de µm d’épaisseur), ces structures ont l’avantage d’être flexibles et légères, mais uniquement si elles sont construites sur des substrats présentant les mêmes caractéristiques. 

Problème : les matériaux requis pour un substrat doivent avoir une surface homogène, résister à de hautes températures et ne pas réagir avec certains produits chimiques entrant dans la fabrication d’une cellule photovoltaïque. Malheureusement, le candidat idéal n’a pas encore été trouvé. Les chercheurs et les industriels ont donc dû modifier leurs procédés de fabrication, tout en sachant que leurs produits flexibles allaient perdre en efficacité par rapport aux éléments rigides.

Des chercheurs de l’université de Stanford menés par Xiaolin Zheng ont trouvé comment concilier flexibilité et rendement. L’idée est simple : pourquoi ne pas d’abord construire les cellules photovoltaïques à couches minces sur un substrat rigide, puis ensuite les transférer sur un matériau souple ? Le protocole à suivre vient d’être publié dans la revue Scientific Reports. Le produit final n’est autre qu’une cellule souple qui peut être appliquée sur différents supports non-homogènes (feuille de papier, dos de téléphone portable, toit de voiture, etc.) à la manière d’un autocollant. Le tout sans perte de rendement !

Ligne a : des cellules photovoltaïques à couches minces (TFSCs, thin-film solar cells) ont été produites sur une galette de dioxyde de silicium (SiO2) rigide. Elles peuvent désormais être séparées de leur support et devenir souples (à droite). Le substrat initial peut alors être réutilisé (au milieu). Ligne b : des cellules souples ont été collées sur différents supports comme un téléphone portable (à gauche), une carte de visite (au centre) et une vitre (à droite). © Lee et al. 2012, Scientific Reports
Ligne a : des cellules photovoltaïques à couches minces (TFSCs, thin-film solar cells) ont été produites sur une galette de dioxyde de silicium (SiO2) rigide. Elles peuvent désormais être séparées de leur support et devenir souples (à droite). Le substrat initial peut alors être réutilisé (au milieu). Ligne b : des cellules souples ont été collées sur différents supports comme un téléphone portable (à gauche), une carte de visite (au centre) et une vitre (à droite). © Lee et al. 2012, Scientific Reports

Transfert de cellules photovoltaïques : mode d’emploi

Le substrat de base de la cellule mince transférable est une galette (ou wafer) de dioxyde de silicium (SiO2) sur laquelle est déposée une couche de nickel de 300 nm d’épaisseur. Cette opération terminée, la construction de l'unité productrice de courant peut se poursuivre de manière conventionnelle par l’ajout des différentes couches requises. Dans le cas présent, les chercheurs ont fabriqué des cellules en silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H). Elles ont en dernier lieu été recouvertes d’un polymère de protection sur lequel un feuillet de transfert transparent et conducteur de chaleur (qui sert à transporter la cellule) a été fixé. 

Dans un deuxième temps, les éléments produits (toujours rigides à ce stade) ont été plongés dans de l’eau à température ambiante. Une légère traction continue a alors été exercée sur le feuillet de transfert, ce qui a facilité la pénétration de l’eau entre la galette et le nickel, jusqu’à ce que ces deux couches se séparent. Les cellules ont ensuite été sorties de l’eau puis chauffées à 90 °C. Elles pouvaient alors être collées n’importe où à l’aide d’un adhésif double face (ou d’une autre colle), car elles sont souples. Le feuillet est retiré une fois l’unité productrice d’électricité en place. Détail intéressant, les galettes de dioxyde de silicium peuvent être nettoyées puis réemployées pour la fabrication de nouvelles cellules.

Au final, les cellules photovoltaïques à couches minces ont présenté un rendement de 7,5 % sur leur substrat rigide et le même après avoir été collées sur un support souple. L’objectif est donc atteint ! Selon les chercheurs, cette technique de transfert fonctionnerait également avec des substrats en verre et pour d’autres types de cellule, par exemple celles composées de cuivre, d’indium, de gallium et de sélénium (CIGS) qui ont un meilleur rendement (record de 20,3 %).


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