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Quand le plastique entre en jeu : la cellule solaire organique

Dossier - Les cellules photovoltaïques, cœur des panneaux solaires
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De nombreuses cellules photovoltaïques ont vu le jour pour exploiter au mieux la lumière du Soleil au travers de panneaux solaires. Afin de produire de l’électricité, silicium, terres rares ou plastiques sont employés, mais chaque technologie a des atouts et des faiblesses dans ce domaine prometteur.

  
DossiersLes cellules photovoltaïques, cœur des panneaux solaires
 

Les cellules photovoltaïques de première et deuxième génération préalablement présentées manquent cruellement de couleur, puisque sans adaptation spécifique, seuls deux tons sont disponibles : gris et bleu. Grâce aux polymères, les panneaux solaires peuvent désormais afficher de belles structures rouges, jaunes ou encore roses, tout en étant intégrés dans des fenêtres.

Les cellules photovoltaïques de première génération ou de deuxième génération précédemment présentées sont toutes composées d'éléments inorganiques, ce qui les rend durables, stables et surtout robustes. Certaines entités de troisième génération ne partagent pas toutes ces caractéristiques, mais cela ne les rend pas inintéressantes pour autant, car elles disposent d'autres avantages qu'il peut être utile d'exploiter. C'est particulièrement vrai pour les cellules solaires organiques (OPV), car elles sont partiellement ou totalement faites de plastique.

Ces structures sont peu onéreuses, tout en étant faciles à produire et à manipuler. Elles sont par ailleurs dégradables, ce qui autorise leur intégration dans des objets jetables. Il s'agit donc d'une technologie propre. Leur légèreté (moins d'un gramme par mètre carré pour certaines) et leur souplesse permettent également leur installation dans des lieux uniques, par exemple à l'intérieur de vitres, surtout lorsqu'elles font moins d'un millimètre d'épaisseur.

Un dernier détail distingue les cellules organiques des inorganiques : la couleur. Des pigments peuvent être utilisés pour les teindre en rouge, vert, rose ou encore violet (la liste n'est pas exhaustive).

Les cellules photovoltaïques organiques peuvent être fines et transparentes, ce qui permet de les inclure dans des vitres (comme sur le carré de droite). © UC Regents, 2012

La technologie du photovoltaïque aux polymères

Les matériaux semi-conducteurs sont donc organiques. Ils se composent soit de « petites molécules » dont la masse volumique est inférieure à 1.000 g/mol (comme le PCBM incorporant un noyau de fullerène), soit de polymères plus volumineux (à l'image du P3HT), soit des deux à la fois. Le PCBM et le P3HT sont régulièrement associés au sein des cellules photovoltaïques organiques, car ils sont respectivement accepteur (type n) et donneur (type p) d'électrons. Ils peuvent donc former des hétérojonctions p-n.

Le principe de fonctionnement de ces cellules repose lui aussi sur l'effet photovoltaïque. L'impact d’un photon sur une molécule de type p peut ici aussi exciter un électron et donner naissance à une paire électron-trou (ou exciton). C'est précisément à ce moment qu'une importante différence apparaît, puisque la durée de vie des excitons est réduite. Les deux charges s'attirent fortement et tendent à se recombiner avant d'atteindre un site de dissociation, c'est-à-dire une jonction, et ce d'autant plus que leurs déplacements sont lents. Ainsi, les cellules organiques captent très bien la lumière, mais peu de charges sont collectées, ce qui se traduit par des rendements faibles.

Il a notamment été envisagé de réduire la distance séparant les sites de photogénération des lieux de dissociation des charges. L'une des solutions trouvées est simple : mélanger les molécules donnant et acceptant les électrons. Ainsi, des polymères de PCBM peuvent être séparés par des molécules de P3HT (qui ont une forme en bâtonnet) au sein d'un réseau interpénétré qui forme alors une seule couche absorbante.

Une fois séparées, les charges sont collectées de manière conventionnelle grâce à des électrodes respectivement placées au-dessus et en dessous de la couche absorbante mixte.

Rendement des cellules photovoltaïques en plastique

Le record de rendement est actuellement détenu par l'entreprise allemande Heliatek. L'une de leurs cellules organiques a atteint un rendement de 12 % en janvier 2013, mais elle est dite « en tandem ». En effet, elle se compose de deux couches d'absorbant qui réagissent à des longueurs d'onde différentes, ce qui permet de convertir une plus grande partie du spectre lumineux en énergie.

Le record de rendement pour une cellule organique « simple » est actuellement de 11,1 %.

Composition et fabrication d'une entité OPV

Les cellules organiques peuvent adopter différentes structures, avec un nombre de couches variable. Pour compliquer le tout, ces entités sont parfois assemblées de manière inversée. Par conséquent, trous et électrons peuvent être récoltés, au choix, par l'électrode supérieure ou inférieure.

Les polymères respectivement dopés p et n sont colorés en vert (donor) et en rose (acceptor). Ils forment un réseau interpénétré. Cette structure permet de réduire la distance qui sépare les jonctions p-n et les sites de photodissociation. La couche de PEDOT:PSS, un mélange de polymères, empêche la diffusion de l’oxygène produit par la couche TCO. © NREL

D'une manière simplifiée, une cellule OPV renfermant un réseau interpénétré se compose :

  • d'un verre ou d'un plastique transparent par lequel pénètre la lumière ;
  • de l'anode qui doit être transparente. Elle peut être en ITO (épaisseur d'environ 100 nm), mais des alternatives existent pour éviter l'utilisation d'indium (ZnO ou TiOx, par exemple) ;
  • d'une couche de PEDOT:PSS (mélange de deux polymères) qui bloque la diffusion de l'oxygène produit par l'ITO, car il peut altérer le polymère ;
  • de la couche active incorporant les polymères n et p, tels le PCBM et le P3HT ;
  • du contact métallique arrière (par exemple en aluminium) ;
  • du substrat

Parmi les variantes possibles, citons le cas des cellules où les deux types de polymères (PCBM et P3HT) ne sont pas mélangés, mais bien déposés en deux couches superposées. Certaines entités intègrent également une couche supplémentaire de bathocuproïne (BCP) entre les polymères et la cathode en aluminium. Elle permet d'éviter la recombinaison d'excitons à l'interface organique-métal.

Les cellules OPV sont faciles à produire sur de grandes surfaces, et en grande quantité, par le biais de procédés en roll-to-roll. Le substrat souple, par exemple du polyester, avance alors à vitesse constante en passant successivement dans différentes installations, chacune ajoutant l'une des couches requises. Les procédés de dépôt exploitent la vaporisation sous vide.

L'entreprise Heliatek fabrique par exemple ses cellules sur des bandes de substrat longues de 500 m (et larges de 30 cm), les entités étant par la suite structurées grâce à des outils laser. La température requise durant les opérations ne dépasse pas 120 °C. Attention toutefois, Heliatek produit des cellules dites à oligomères. Les molécules utilisées sont plus petites (masse molaire inférieure à 1.000 g/mol) que les polymères. Par ailleurs, les molécules dopées n ou p ne sont pas mélangées, mais bien déposées en deux couches distinctes.

L'impression est également utilisable, mais uniquement sur des substrats rigides comme le verre.

Inconvénients des cellules solaires organiques

Les cellules organiques présentent quelques inconvénients, parmi lesquels figurent :

  • un taux de conversion (et donc un rendement) plus faible que les autres ;
  • une baisse de stabilité et de solidité causée par les changements de température cycliques qui affectent les cellules exposées au Soleil.