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Vitrage photovoltaïque

matériaux et dispositifs utilisant des panneaux de verre photovoltaïque

Les « vitrages photovoltaïques » («  verres photovoltaïques » ou « verrières photovoltaïques ») sont des matériaux et dispositifs utilisant des panneaux de verre (verre standard ou trempé) dit photovoltaïque (pouvant être plus ou moins transparent ou coloré). Le vitrage photovoltaïque capte une partie de la lumière solaire (notamment infrarouge) pour la transformer en électricité, avec une production de 10 à 90 W/m². Moins performant qu'un panneau classique (≈ 170 W/m²), il présente l'avantage d'allier fonction de vitrage et production d'énergie, favorisant économies et transition écologique. La vitre photovoltaïque est actuellement moins transparente qu'une vitre normale, avec un choix de degré de transparence (de 10 à 30%) ou un vitrage légèrement coloré.

Vitrage photovoltaïque des locaux d'Électricité de France, à Dijon

Principes

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Ce verre permet de produire de l'électricité à partir d'une partie du spectre visible ou non visible de la lumière solaire. Il fonctionne grâce à une cellule photovoltaïque translucide, qui absorbe certains rayons du soleil (lumière infrarouge notamment) et les redirige vers les bords du vitrage pour être transformés en électricité. Il prend généralement la forme d'une grande plaque de verre qui peut en 2025 produire entre 10 et 90 watts par mètre carré[1].

Dans les décennies 2010-2020, ces techniques arrivent à maturité sur le plan de la recherche, mais sont encore émergente en matière d'applications industrielles et commerciales en raison d'une durée de vie encore limitée à moins d'une vingtaine d'années en raison de dégradations intrinsèques (instabilité des couches actives, diffusion des électrodes) et extrinsèques (oxygène, humidité, contraintes mécaniques, irradiation)[2]. Des vitrages photovoltaïques transparents ou translucides sont néanmoins déjà commercialisés pour des façades, vérandas et certaines serres, souvent pour des projets pilotes à forte valeur ajoutée (agrivoltaïsme de haute technologie, bâtiments à énergie positive, outre quelques essais concernant des véhicules (hublot d'avion par exemple) ou des objets connectés). Le succès de cette technologie dépendra de l'évolution de ses performances, de sa durabilité/soutenabilité et des coûts de fabrication.

Enjeux, potentialités

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Potentiellement un vitrage photovoltaïque peut aussi être un vitrage isolant, pariétodynamique (c'est-à-dire capable de récupérer et valoriser des calories captées entre les vitres multiples d'un vitrage multicouche et/ou isolant), voire « intelligent » et connecté, tout en conservant sa fonction première de source de lumière le jour, et tout en protégeant l'intérieur des UV solaires et en renvoyant ou en utilisant le spectre de l'infrarouge (capté grâce à un matériau polarisant et/ou à un polymère adapté captant les infrarouges, tel que produit par exemple par le groupe japonais Sumitomo Chemical).

Des verres connectés de type Wysips[3] (acronyme de « What You See Is Photolvoltaic » et nom d'une startup française de 30 salariés en 2013), basés sur l'optique lenticulaire peuvent selon leur concepteur être intégrés sur des téléphones dont l'écran peut alors les recharger[4], des liseuses électroniques, des montres, des pare-soleil, des stores, des panneaux d'information, etc.[5]

Dans certaines conditions technologiques, il est possible de générer plusieurs électrons avec un seul photon (principe dit « down conversion »), et deux photons infrarouges ou UV peuvent produire un photon visible (principe dit « up conversion »)[6]. Des verres (ou céramiques) luminescents pourraient ainsi (grâce à des sulfures à faible énergie de phonon) améliorer le rendement de certaines cellules photovoltaïques[7]. Un laboratoire de l'Université de Cambridge a ainsi pu récupérer l'énergie des photons bleus[à définir] peu exploités dans les systèmes classiques (plus énergétiques que les photons rouges[à définir] et plus pénétrants dans l'eau) réussissant à générer deux électrons à partir d'un photon bleu, ce qui pourrait porter le rendement d'une cellule solaire hybride à 44%.[réf. nécessaire]

Cette forme de production d'électricité pourrait contribuer aux principes du bâtiment à énergie positive et de la décentralisation de la production d'électricité, deux des axes de la troisième révolution industrielle[8].

Au début des années 2010, le défaut des matériaux organiques est encore leur durée de vie de 7 à 10 ans, très inférieure à celle d'un vitrage (principalement à cause de la dégradation des couches actives organiques encore vulnérables à l'humidité et à l'oxygène)[9] ; Dans les années 2020, cette durée passé à 15-20 ans au milieu des années 2020, avec des rendements dépassant 19‑20 % en laboratoire, grâce notamment à des progrès en encapsulation (verre laminé, barrières multicouches) et en nouveaux matériaux non‑fullerènes qui ont allongé la durée de vie des matériaux organiques[10]. Des études prédisent une durée de vie proche de 20 ans pour des dispositifs bien protégés[11], une durée encore très inférieure à celle des technologies inorganiques (silicium, pérovskites stabilisées).

Usages

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En 2016, ces usages sont encore très émergents, avec de premières utilisations en lucarne et en verrière, en brise-soleil, en bow-window, en mur-rideau, ou en dalle de sol antidérapante en verre. Le matériau est transparent ou semi-transparent, des variants plus ou moins opacifiés sont appropriés dans certaines pièces (de type salle de bain).
Des films souples en développement pourraient permettre de nouveaux usages.

La vitre ou l'objet vitré peut être électriquement « indépendant » (s'il dispose d'une batterie) ou au contraire être connecté au réseau local ou global, à un réseau électrique intelligent, etc. comme un module photovoltaïque classique (via alors des câbles, un coffret électrique, un onduleur…)

Histoire

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Le premier projet de développement industriel de vitre photovoltaïque aurait été porté par le groupe japonais Nihon Telecommunication, mais gelé en raison d'un rendement moyen qui stagnait alors à 7 %, pour un coût trop élevé (1000 à 2 000 dollars par mètre carré, soit 1,5 le prix d'une fenêtre haut de gamme triple vitrage)[12].

À l'Institut de technologie du Massachusetts, des chercheurs ont ensuite exploré de nouvelles voies de production de cellule photovoltaïque organique transparente capable de laisser passer la lumière visible mais de valoriser photovoltaïquement l'infrarouge. Le rendement était faible (1,7 %) mais déjà meilleur que le 1 % d'efficacité des cellules photovoltaïques organiques transparentes alors disponibles[12].

L'objectif était d'atteindre un rendement de 12 % dans le verre solaire, ce qui le rendrait compétitif avec les panneaux photovoltaïques classiques[12]. Ces 12 % ont été atteints en 2013 par Heliatek via une « cellule photovoltaïque en tandem ».

Une solution consiste à insérer ces cellules solaires organiques en film translucide appliqué sur une vitre classique (ou sur un substrat flexible) ou mieux entre deux couches de verre à l'intérieur d'un double vitrage, ce qui protégera le film[12].

En 2013, le groupe « Romande Énergie » a financé 300 m2 de panneaux photovoltaïques translucides et colorés (développés en 1991 par le chercheur Michael Grätzel) sur la façade ouest du nouveau centre de congrès de l'école polytechnique fédérale de Lausanne, le « Swiss Tech Convention Center (en) ». Ces panneaux se déclinent en 5 tonalités différentes de rouge, vert et orange et ont été installés selon un concept mis en place par les artistes Daniel Schlaepfer et Catherine Bolle[13].

La société « Onyx Solar » annonçait en sur son site internet « 70 projets achevés dans 25 pays et 30 prix internationaux ». Dans les années 2000-2010, la société d'ingénierie Aixoise Sunpartner Technologies développe une technologie de vitrage photovoltaïque transparent doté de capteurs intégrés, baptisée Wysips (10 à 90 watts, à comparer aux 170 W/m2 de puissance moyenne d'un panneau photovoltaïque classique.

Un prototype de hublot d'avion à batterie intégrée a été réalisé par la même entreprise ; il peut automatiquement adapter sa transparence à la luminosité ambiante, et recharger de petits appareils électriques[14]. Une vitre ainsi domotisée pourrait accumuler assez d'énergie pour le fonctionnement de stores automatiques ou une ouverture/fermeture en fonction de la température et de la météo, etc.

Axes de recherche

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La performance photovoltaïque des matériaux organiques s'est améliorée pour dépasser 20 %, mais leur stabilité et leur durée de vie restent limitées ; la Recherche se concentre donc sur des stratégies de conception et d'ingénierie moléculaire permettant de mieux les protéger de l'oxygène de l'air, ce certaines longueurs d'onde, de la chaleur et des contraintes mécaniques, pour permettre une adoption commerciale à grande échelle[15].

La recherche porte par ailleurs sur, principalement, trois autres axes d'optimisation (interfaces, morphologie, stabilité)[16] :

  1. l'optimisation des cellules à couches minces (CIGS, pérovskites, organiques) déposées sur verre ou sur substrats flexibles tout en conservant une transmission lumineuse de 30 à 70 % selon la teinte souhaitée ;
  2. le développement de structures dites « spectrally selective » qui laissent passer le spectre photosynthétique (400‑700 nm) tout en convertissant les longueurs d'onde infra‑rouges (700‑1200 nm) en électricité, ce qui améliore l'efficacité agronomique lorsqu'elles sont intégrées aux serres ;
  3. l'intégration de modules photovoltaïques à basse tension dans les vitrages isolants double ou triple, avec des films conducteurs transparents à base d'oxyde d'étain dopé à l'indium (ITO) ou de réseaux nanométriques d'argent, afin de respecter les normes de sécurité et de facteur solaire (U‑value) des bâtiments.

Notes et références

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  1. ↑ « Qu'est-ce que le vitrage photovoltaïque ? », sur TotalEnergies (consulté le )
  2. ↑ (en) Mujib Ur Rahman, Yonghao Xi, Muhammad Khalid et Sameen Aslam, « Recent advances in stabilizing the organic solar cells », MRS energy & sustainability, vol. 11, no 2,‎ , p. 369–400 (ISSN 2329-2237, DOI 10.1557/s43581-024-00112-3, lire en ligne, consulté le ).
  3. ↑ Présentation des possibilités de la technologie Wysips, par Capenergies (Technopôle de l'Environnement Arbois-Méditerranée)
  4. ↑ Wysips propose la recharge de smartphones via l'écran, sur Frandroid, publié le 04 mars 2013
  5. ↑ « Les vitrages photovoltaïques transparents débarquent », sur QuelleEnergie (consulté le ).
  6. ↑ Slaoui A (2010) Nanostructures Pour Cellules Photovoltaiques Inorganiques. Ed. Techniques Ingénieur.
  7. ↑ Fan B (2012) Verres et céramiques luminescents pour améliorer le rendement des cellules solaires PV (Thèse de doctorat en science de la matière, Université Rennes 1, soutenue le 23 oct 2012)
  8. ↑ Bastin, Côme (2013), Comment Wysips prépare la troisième révolution industrielle, brève publiée le 7 août 2013
  9. ↑ Photovoltaïque organique en tandem : efficacité record de 12% ; 23 février 2012 ; Film photovoltaïque.
  10. ↑ (en) Mujib Ur Rahman, Yonghao Xi, Muhammad Khalid et Sameen Aslam, « Recent advances in stabilizing the organic solar cells », MRS Energy & Sustainability, vol. 11, no 2,‎ , p. 369–400 (ISSN 2329-2237, DOI 10.1557/s43581-024-00112-3, lire en ligne, consulté le )
  11. ↑ (en) Newayemedhin A. Tegegne, Leonato T. Nchinda et Tjaart P. J. Krüger, « Progress Toward Stable Organic Solar Cells », Advanced optical materials, vol. 13,‎ , p. 2402257 (ISSN 2195-1071, DOI 10.1002/adom.202402257, lire en ligne, consulté le ).
  12. 1 2 3 4 Vitrage solaire : produire de l'énergie grâce à vos fenêtres, Conso Globe, consulté 2016-11-01
  13. ↑ Un vitrage photovoltaïque, première mondiale pour le SwissTech Convention Center de l'EPFL, sur Association Suisse pour le Contrôle Électrique (consulté le 23 décembre 2014)
  14. ↑ Les vitrages photovoltaïques transparents débarquent, page d'information de Quelle Energie.fr
  15. ↑ (en) Pengfei Ding, Daobin Yang, Shuncheng Yang et Ziyi Ge, « Stability of organic solar cells: toward commercial applications », Chemical Society reviews, vol. 53, no 5,‎ , p. 2350–2387 (ISSN 1460-4744, DOI 10.1039/D3CS00492A, lire en ligne, consulté le ).
  16. ↑ (en) Ahmed Salih Mahdi, Lina M. Shaker et Ahmed Alamiery, « Recent advances in organic solar cells: materials, design, and performance », Journal of optics, vol. 53, no 2,‎ , p. 1403–1419 (ISSN 0974-6900, DOI 10.1007/s12596-023-01262-2, lire en ligne, consulté le ).

Voir aussi

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Articles connexes

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Bibliographie

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