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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Cinquième partie. Les énergies renouvelables

20. Photovoltaïque : la filière organique

Cyril Brochon, Éric Cloutet, Guillaume Fleury et Georges Hadziioannou

Texte intégral

1Aujourd’hui, plus de 90 % des panneaux solaires utilisent comme matériau photo-actif le silicium*. Cependant, les procédés liés à la purification et à la mise en forme du silicium comportent de multiples étapes et consomment beaucoup d’énergie. On estime le retour sur l’investissement énergétique demandé par la fabrication de la cellule entre 2 et 5 ans (suivant le degré d’enSoleillement).

2C’est dans ce contexte que se développent deux nouvelles catégories de cellules solaires prometteuses : les tout organiques de types semi-conducteurs à base de carbone (qui ont montré récemment des rendements de l’ordre de 10 % « non certifié ») et les hybrides de types cellules à colorants ou cellules de Graetzel, du nom de l’inventeur (avec dernièrement des rendements proches de 12 %). Comparées aux cellules solaires à base de silicium, elles peuvent être mises en forme par des techniques de dépôt par voie liquide comme l’injection jet d’encre ou l’enduction rouleau à rouleau, « roll to roll ». Cette caractéristique permet entre autres d’envisager des dispositifs sur de grandes surfaces souples. Plus légères que leurs homologues inorganiques, les cellules solaires organiques peuvent être flexibles pour des applications dites « nomades » (ex. intégration dans des textiles ou toiles de tentes et parasols). Enfin, compte tenu d’un prix de revient moindre, les cellules solaires organiques ou hybrides flexibles offrent une alternative prometteuse aux cellules solaires photovoltaïques classiques (figure 1). Leur temps de retour énergétique – c’est-à-dire le ratio entre l’énergie totale consommée au cours de sa fabrication, de son transport, de son installation, de son recyclage et l’énergie produite annuellement – est seulement de quelques mois. Certains points restent à améliorer comme la stabilité dans le temps, qui peut être augmentée en réalisant des structures dites « inverses », par opposition aux structures directes et en accord avec la polarisation ou sens du courant électrique (figure 2).

Fonctionnement d’une cellule solaire organique

3Les cellules solaires organiques sont de type hétérojonction en volume* entre un matériau donneur d’électrons* (ex. un polymère semi-conducteur* comme le P3HT*) et un matériau accepteur d’électrons (ex. le fullerène* et ses dérivés comme le PCBM*). Le processus photovoltaïque dans les cellules solaires organiques se fait en quatre étapes (figure 3) : l’absorption* d’un photon donnant naissance à un exciton* (une paire électron-trou liée) ; la migration de l’exciton ; la dissociation de l’exciton ; et enfin le transport des porteurs de charges vers les électrodes (cf. II.6). Le transport de l’électron vers la cathode* est alors assuré par le matériau accepteur d’électrons et celui des trous* vers l’anode* par le matériau donneur d’électrons. Ces deux matériaux constituent la couche active de la cellule. Les meilleurs rendements obtenus sont de l’ordre de 5 à 6 %.

Défis à venir

4La nature même des matériaux de la couche active nécessite des recherches afin de trouver des substituts au P3HT d’une part qui n’absorbe qu’une petite partie du rayonnement solaire, et au PCBM d’autre part qui représente quasiment la seule possibilité comme accepteur d’électrons et qui présente les défauts de s’agréger et de diffuser dans la partie active des cellules solaires organiques.

Fig. 1 – Exemple de panneau solaire plastique : Power Plastic® by Konarka technologies. Photo Georges Disario

Fig. 2 – Représentations schématiques de cellules solaires hétérojonctions en volume en structure directe (haut) et en structure inverse (bas)

5Par ailleurs, la morphologie de la couche active, c’est-à-dire la distribution volumique d’un matériau par rapport à l’autre, est un facteur déterminant du processus photovoltaïque. Elle conditionne la dissociation de l’exciton et le transport des charges jusqu’aux électrodes, ce qui affecte directement l’efficacité finale de la cellule. Il est donc primordial de la contrôler. Ce contrôle passe par l’optimisation des paramètres de fabrication du dispositif. Il est généralement observé une séparation de phases entre les matériaux donneurs et accepteurs d’électrons. La morphologie de la couche active doit présenter des domaines bi-continus en matériaux accepteur et donneur d’électrons dont la taille est de l’ordre de la dizaine de nanomètres, afin d’optimiser la dissociation de l’exciton et le transport des porteurs de charges jusqu’aux électrodes. Pour atteindre cet objectif, on peut citer l’exemple de l’utilisation de copolymères à blocs* en tant qu’additifs qui augmentent et stabilisent les interfaces entre les deux matériaux de la couche active. Des copolymères à blocs soigneusement conçus pour que chaque bloc soit compatible avec l’un ou l’autre des matériaux permettent une réduction de la taille des domaines des matériaux accepteur et donneur d’électrons*.

6Les matériaux d’électrodes, et en particulier les oxydes transparents conducteurs, sont peu compatibles avec des technologies de mise en forme sur de grandes surfaces flexibles. Il convient donc de trouver des substituts organiques ou hybrides qui pourraient être formulés sous forme d’encres et mis en forme par des procédés industriels d’enduction sur tout type de substrat flexible (papier, textile, plastique, etc.). L’enjeu majeur vise actuellement à trouver des alternatives à l’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO), omniprésent dans l’électronique et le photovoltaïque. Parmi les voies qui sont explorées, il convient de citer les oxydes métalliques sans indium, les polymères semi-conducteurs ou les composites à base de polymères et de nanofils de métaux (argent ou cuivre) ou nanotubes de carbone*.

7Enfin, les procédés de fabrication des dispositifs solaires organiques doivent être faciles à mettre en œuvre et peu coûteux. Les techniques d’impression (jet d’encre, rouleau à rouleau, etc.) ou d’enduction qui utilisent la matière première sous forme d’encres présentent un intérêt majeur à condition de maîtriser les étapes de formulation des composés qui constituent les différentes couches de la cellule solaire. Dans ce domaine, les polymérisations en milieux dispersés (ou polymérisations hétérogènes) peuvent jouer un grand rôle car elles permettent d’obtenir des polymères et copolymères dans une grande gamme de masses molaires et de tailles de particules dans des phases dispersantes (allant de la phase aqueuse à des solvants plus ou moins polaires non toxiques) compatibles avec les technologies requises. D’ores et déjà, des dispersions de polymères semi-conducteurs sont utilisées à grande échelle dans le photovoltaïque tel que PEDOT-PSS*.

8Au vu des efforts mis en œuvre par les milieux académiques et industriels pour relever les défis énumérés ci-dessus, nous pensons que cette nouvelle génération de cellule solaire fera partie de notre quotidien au cours de la prochaine décennie.

Fig. 3 – Représentation schématique des énergies mises en jeu lors d’une absorption d’énergie lumineuse . Les principales étapes sont : (1) la création d’un exciton (l’électron est représenté par un disque noir, le trou par un disque blanc), (2) la diffusion de l’exciton à l’interface donneur/accepteur, (3) la dissociation de l’exciton et (4) le transport des porteurs de charges aux électrodes

Bibliographie

Références bibliographiques

• L’Actualité Chimique, n° 338-339, Février-Mars, 2010.

• A. MOLITON – Électronique et optoélectronique organiques, Springer 1st Edition, 2011.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Exemple de panneau solaire plastique : Power Plastic® by Konarka technologies. Photo Georges Disario
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11064/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 110k
Légende Fig. 2 – Représentations schématiques de cellules solaires hétérojonctions en volume en structure directe (haut) et en structure inverse (bas)
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11064/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 103k
Légende Fig. 3 – Représentation schématique des énergies mises en jeu lors d’une absorption d’énergie lumineuse . Les principales étapes sont : (1) la création d’un exciton (l’électron est représenté par un disque noir, le trou par un disque blanc), (2) la diffusion de l’exciton à l’interface donneur/accepteur, (3) la dissociation de l’exciton et (4) le transport des porteurs de charges aux électrodes
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11064/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 146k

Auteurs

Chimiste des Polymères, Maître de Conférences, LCPO, Université de Bordeaux, Pessac.
cbrochon@enscbp.fr

Chimiste des Polymères, Directeur de Recherche au CNRS, LCPO, Pessac.
cloutet@enscbp.fr

Physico-Chimiste des Polymères, Maître de Conférences à l’Université de Bordeaux, LCPO, Pessac.
gfleury@enscbp.fr

Physico-Chimiste des Polymères, Professeur à l’Université de Bordeaux, Chaire Arkema/Région Aquitaine, Membre sénior IUF, LCPO, Pessac.
hadzii@enscbp.fr

© CNRS Éditions, 2013

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