La recherche s'interesse aux panneaux PV transparents

tech4win aimerait presenter son premier concept pilote fin 2021

Pour l'instant, un peu plus de 4% de l'électricité produite dans le monde vient de l'énergie solaire. Une part qui devrait bientôt évoluer car le secteur des éléments et panneaux photovoltaïques est en plein essor, y compris dans le domaine des couches minces et des Building Integrated Photovoltaics (BIPV). Cela inclut aussi les possibilités et la recherche sur les panneaux photovoltaïques transparents. La Belgique y travaille également, car IMO-IMOMEC (l'institut de recherche intégrée de l'UHasselt et de l'IMEC) est l'un des huit partenaires du projet européen Tech4Win. Ce projet vise à soumettre un premier concept pilote d'un panneau PV transparent d'ici la fin 2021.

Deux technologies pv

Il existe deux technologies possibles pour les panneaux photovoltaïques: le silicium et la couche mince. Le premier est clairement le plus populaire, le silicium représentant une part de marché de 95%, contre seulement 5% pour les panneaux à couche mince.

Silicium

Le système classique des cellules solaires en silicium sont les panneaux que l'on voit généralement sur les toits. Actuellement, le silicium a un rendement maximal de 26,7%, ce qui signifie qu'un maximum de 26,7% de l'énergie totale du soleil sera convertie en énergie. La limite fondamentale pour l'efficacité d'un panneau PV est de 30%, donc le silicium a atteint son développement maximum ou presque. En effet, le silicium a fait l'objet de beaucoup d'attention dans d'autres développements et applications, notamment dans l'informatique (puces informatiques) et l'aérospatial.

Couche mince

La couche mince ou ‘thin film’ est un ensemble des semi-conducteurs à base de matériaux composites, par exemple du séléniure de cuivre-indium et de gallium (CIGS). Pour diverses raisons, la recherche actuelle se concentre sur cette technologie:

• Tout d'abord, le silicium est (presque) complètement développé, alors qu'avec les couches minces, il reste encore beaucoup de progrès à faire. Par conséquent, les meilleures idées du silicium – comme l'utilisation de couches de passivation pour éviter les recombinaisons et donc la perte d'électrons – sont également copiées en couche mince.
• Ensuite, le principe de couche mince n'a pas volé son nom. La zone active de la couche mince n'a qu'une épaisseur de 1 à 2 microns (micromètres), tandis que celle du silicium varie entre 100 et 200 microns (à titre de comparaison: un cheveu humain a une épaisseur d'environ 60 microns). La production de couches minces nécessite donc moins de matériau, ce qui signifie qu'à l'avenir – s'il y a plus d'applications de couches minces – ce sera aussi la moins chère des deux techno­logies. L'épaisseur de la couche mince devrait même évoluer jusqu'à 0,5 micron ou 500 nm (nanomètres).
• Enfin, la finesse de l'épaisseur fait également de la couche mince une technologie flexible qui permet de combiner plusieurs matériaux entre eux sans aucun problème. De cette façon, plusieurs parties du spectre solaire peuvent également être absorbées et il est possible de dépasser le seuil d'efficacité fondamental (magique) de 30%. Par exemple, une combinaison de perovskite (un nouveau matériau pour couche mince) sur chalcogénure (CIGS) a atteint un rendement de 24,6% pour les cellules solaires non flexibles et de 23% pour les cellules solaires flexibles. Le résultat non flexible est égal à celui du silicium, mais le résultat des cellules solaires flexibles est sans doute un record mondial absolu.

Building Integrated Photovoltaics

En d'autres termes, la couche mince est le matériau idéal à utiliser dans les systèmes photovoltaïques intégrés aux bâtiments ou BIPV. Il s'agit d'éléments ou de panneaux qui ont également d'autres fonctionnalités que la production d'énergie. Par exemple des tuiles, des ardoises ou des éléments de façade.

La production d'énergie n'est donc pas la caractéristique la plus importante du BIPV. C'est avant tout l'esthétique qui prime; l'élément s'intègre-t-il parfaitement dans la conception du bâtiment? Le rendement énergétique est donc, pour ainsi dire, un plus toujours bon à prendre.

Elements PV modulaires

Les éléments PV modulaires sont actuellement les plus courants, parce que la quasi totalité des fabricants de panneaux classiques proposent cette solution dans leur gamme. Par exemple des tuiles, des ardoises ou des éléments de façade sur lesquels une couche mince est appliquée. Cependant, il existe aussi d'autres possibilités, comme des panneaux qui peuvent être entièrement intégrés dans un toit plat, des panneaux très minces et légers que l'on pose sur le toit comme une sorte de tissu etc.

Toutefois, l'utilisation d'éléments PV modulaires reste pour l'instant assez limitée. On trouve déjà des exemples d'applications aux Pays-Bas et en Suède, entre autres, mais la Belgique n'a pas encore emboîté le pas à cette technologie.

Panneaux PV semi-transparents

Une deuxième option de type BIPV sont les panneaux PV semi-transparents. Pour obtenir un panneau PV semi-transparent, la première couche mince est appliquée sur l'ensemble du panneau. Ensuite, l'emplacement des cellules solaires est défini avec précision et une partie de ces cellules est éliminée au laser. Après ce processus, il reste finalement un produit qui, par exemple, se compose de 50% de couche mince, tandis que les 50% restants sont constitués de verre ordinaire. Ces matériaux s'alternent, chaque pièce n'ayant que quelques millimètres de moins (ou même un peu moins, ce qui trompe complètement l'œil humain). La différence est tellement fine que l’œil ne perçoit qu'une seule couleur et que l'on peut voir au travers de la structure. Les panneaux PV semi-transparents font partie des éléments de façade déjà fabriqués et utilisés. En dehors de cela, cependant, ils ne sont pas (encore) souvent appliqués.

Panneaux PV transparents

Les panneaux PV transparents, qui ressemblent à un vitrage ordinaire, offrent peut-être une solution plus intéressante que la version semi-transparente. Ce système n'existe pas encore sur le marché européen pour la applications BIPV, mais les recherches en la matière battent leur plein (voir plus loin).

Convaincre de la valeur ajoutée

Malgré l'intérêt général pour les solutions spécifiques BIPV, il faut encore écarter certains problèmes. Par exemple, les produits disponibles doivent d'abord et avant tout percer sur le marché et pour cette raison, les gens doivent être convaincus de leur intérêt.

Les architectes sont souvent les premiers convaincus – ce sont des systèmes flexibles qui s'intègrent facilement dans la conception d'un bâtiment – mais les promoteurs et les personnes qui financent le projet doivent également être convaincus de la valeur ajoutée du principe BIPV. En effet, pour l'instant, c'est une solution assez coûteuse (bien que des produits à prix compétitifs soient possibles et parfois déjà fabriqués).

Tech4Win (Technology for Windows)

Tech4Win – abréviation de ‘Technology for Windows’ – est un projet européen qui s'est engagé à développer un panneau PV transparent. Huit partenaires sont impliqués dans le projet, dont l'IMO-IMOMEC belge (l'institut de recherche intégrée de l'UHasselt et de l'IMEC). Bart Vermang, actif au sein de l'IMEC, mais aussi pour l'UHasselt et EnergyVille, est étroitement impliqué dans ce projet.

Objectif

Vermang: “L'idée derrière Tech4Win est de développer un panneau photovoltaïque transparent avec un rendement d'au moins 10% en trois ans. Le produit final ne sera qu'un petit concept pilote, une fenêtre (avec différents vitrages superposés) d'environ 30 cm sur 30 cm. Cependant, le projet a suffisamment de partenaires très intéressés à la transformation rapide de ce concept en un produit commercial. En plus de l'objectif principal, nous avons également défini des indicateurs de performance critiques ou KPI pour nous-mêmes. Nous voulons absorber au moins 99% de la lumière UV, mais notre produit doit aussi laisser passer 60% de la lumière visible. Ce pourcentage – également appelé facteur de transmission de la lumière visible moyen (average visible transmittance ou AVT) – est également de 60% pour un panneau de verre ordinaire. En termes de perméabilité, nous voulons être tout aussi forts, ce qui semble d'ailleurs fonctionner pour le moment.“

Fonctionnement du panneau

“Pour créer un panneau photovoltaïque transparent, nous devons développer un produit qui ne convertira en énergie que les parties invisibles du spectre solaire. Nous prenons donc tout ce qui entre dans le spectre juste avant et juste après la lumière visible, c'est-à-dire la lumière ultraviolette et la lumière infrarouge. Cependant, ce n'est possible qu'en travaillant avec plusieurs couches. Pour la couche qui absorbera la lumière UV, nous avons deux méthodes. Nous utilisons des oxydes ainsi que des séléniures et des sulfures, et nous développons actuellement – avec succès – du Zn(S, Se). Pour l'instant, il faut encore trouver la méthode ou la combinaison de méthodes qui fonctionne le mieux. Cependant, il est surtout important que notre panneau ab­sorbe autant de lumière UV que possible et la transforme en énergie. Pour la couche infrarouge, nous travaillons avec des cellules solaires organiques, très instables sous la lumière UV. Notre recherche vise à obtenir un panneau avec une efficacité de 10%. C'est crucial, car un produit au rendement inférieur est moins susceptible de percer sur le marché. De ces 10%, jusqu'à 8% proviendront de la lumière infrarouge et seulement 2% des UV. La caractéristique la plus importante de notre cellule solaire n'est pas nécessairement sa production élevée d'énergie, mais l'efficacité de son filtre UV.“

Déroulement du projet

Vermang: “Le projet devrait durer trois ans. Cette année 2019 a été la première et a surtout servi à étudier et à comparer différents matériaux. Cela nous a permis de cibler les meilleurs matériaux qui permettront de poursuivre le projet. Au cours de la deuxième année du projet, en 2020, des travaux seront effectués pour optimiser pleinement les matériaux choisis en fonction de leur utilisation prévue. Enfin, en 2021, des travaux seront réalisés sur le concept pilote. L'un des objectifs sera de rendre les couches aussi minces que possible. Pour l'instant, l'épaisseur est encore d'1 micron, mais nous supposons que nous obtiendrons à terme une épaisseur de couche de l'ordre de 100 nanomètres. Cela garantira la transparence de l'ensemble de la structure.“

Un projet balisé par l'UE

Vermang: “Actuellement, c'est l'Union européenne qui balise le plus notre projet. Grâce à l'UE, nous disposons d'une liste de matières premières critiques ou Critical Raw Materials (CRM). Ce sont des matériaux qui ne sont pas nombreux sur notre planète et qui sont déjà utilisés à d'autres fins. Il est donc préférable de ne pas les intégrer dans le développement de notre panneau transparent. Mais c'est aussi une partie de l'Europe qui rend possible la recherche sur le BIPV et les panneaux PV transparents. L'UE souhaite que tous les nouveaux bâtiments soient, en principe, neutres sur le plan énergétique d'ici 2021, l'utilisation de l'énergie solaire étant cruciale. Le potentiel incroyable que représente les solutions BIPV est donc plus que bienvenu.“