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Les vitres solaires vont-elles remplacer les panneaux photovoltaïques ?
Concevoir des cellules photovoltaïques semi-transparentes et les incorporer dans des surfaces vitrées pour que celles-ci génèrent de l’énergie est loin d’être une idée neuve. Mais les prototypes réalisés jusqu’à présent présentaient des défauts, étaient d’une efficacité limitée et s’avéraient en général très coûteux. De récentes avancées technologiques réalisées aux quatre coins du globe vont peut-être changer la donne et transformer radicalement d’ici quelques années l’architecture, l’urbanisme et la production d’électricité.
Des perforations microscopiques
La première solution économique et originale vient de la Corée du Sud, plus précisément de l’Université nationale des sciences et des technologies d’Ulsan (Unist). Les chercheurs se sont demandés comment donner de la transparence au silicium utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques conventionnelles. Celui-ci est en effet naturellement opaque. La solution consiste à percer les cellules de tout petits trous, d’environ 100 micromètres (μm), soit l’épaisseur d’un cheveu humain, et de les disposer de manière telle que les cellules deviennent aussi transparentes qu’une vitre teintée. Ces nouveaux types de cellule affichent un rendement de 12,2% – contre 20% pour les cellules photovoltaïques classiques. Par contre, elles perdent moins de 4% d’efficacité lorsqu’elles sont placées verticalement alors que les cellules classiques en perdent un tiers dans la même situation du fait de l’angle rasant avec lequel la lumière les frappe. À terme, cette solution pourrait être particulièrement avantageuse pour les immeubles dont les fenêtres offrent plus de surface utilisable que le toit.
Des cellules à pérovskites de nouvelle génération
Des scientifiques du Centre de recherche australien Exciton Science ont réussi à fabriquer des cellules photovoltaïques à pérovskites de nouvelle génération qui produisent de l’électricité tout en laissant passer la lumière. Les pérovskites sont des minéraux à structure cristalline et principalement composée d’oxydes de calcium et de titane[1]. L’approche différente de l’équipe de recherche a consisté à utiliser un semi-conducteur organique intégré dans un polymère pour remplacer un composant classique d’une cellule photovoltaïque à pérovskites : le Spiro-OMeTAD. Celui-ci présente en effet une très faible stabilité et pose de nombreux problèmes de détérioration des performances des prototypes semi-transparents. Le remplacement de ce composant donnerait des résultats spectaculaires. Des fenêtres de deux mètres carrés pourraient produire autant d’électricité qu’un panneau solaire de toit standard. Les premières cellules pourraient être sur le marché dans moins de dix ans et seraient dans un premier temps utilisées dans les bâtiments à plusieurs étages.
Des vitrages photovoltaïques et photochromiques
En France, des chercheurs de l’Institut de recherche interdisciplinaire à Grenoble (Irig) ont trouvé une nouvelle famille de colorants photochromes pour une utilisation dans des cellules de Grätzel. Les cellules de Grätzel – ainsi nommées en référence à leur concepteur, Michäel Grätzel, de l’École polytechnique fédérale de Lausanne – sont des cellules solaires à pigment photosensible qui, exposées à la lumière, génèrent de l’électricité. Ce système photoélectrochimique est inspiré de la photosynthèse végétale. Des colorants intégrés dans la cellule capturent les quanta de lumière et libèrent des électrons dans un réseau semi-conducteur formé de nanoparticules d’oxydes, produisant ainsi l’énergie électrique. L’avantage des colorants de l’équipe de recherche de Grenoble est qu’ils sont photochromes, c’est-à-dire capables de changer de couleur de manière réversible lorsqu’on les expose à la lumière.
Comme les cellules de Grätzel peuvent être semi-transparentes, ces colorants photochromes permettent de moduler la transmission de la lumière à travers le dispositif et le rendement photovoltaïque. Il serait ainsi possible de concevoir des vitres photovoltaïques dotées d’une double fonction : créer du courant électrique et réduire l’intensité lumineuse dans la pièce.
Un panneau totalement transparent
Enfin, aux États-Unis, une équipe de la Michigan State University a récemment développé un panneau solaire complètement transparent. Celui-ci utilise une technologie organique qui absorbe les longueurs d’onde de la lumière invisibles à l’œil humain. La lumière ainsi capturée est transportée dans le contour du panneau où elle est convertie en électricité à l’aide de fines bandes de cellules solaires photovoltaïques. Cette innovation pourrait servir à fabriquer des vitres solaires de grande envergure, en particulier dans les grands bâtiments et les gratte-ciels.
[1] Voir notre article « La pérovskite : bientôt une place au soleil pour ce matériau miracle ».
