Panneaux Photovoltaïques Transparents

Les panneaux solaires transparents constituent une solution innovante dans le domaine de l’énergie renouvelable, permettant la production d’électricité tout en laissant passer la lumière visible, ce qui ouvre un large éventail d’applications dans la construction, l’architecture et l’électronique grand public.

Technologie des cellules solaires organiques

Cellules solaires organiques (OPV) sont des dispositifs construits à partir de composés contenant des atomes de carbone, utilisant des polymères et de petites molécules organiques capables d’absorber le rayonnement solaire et de conduire l’énergie électrique. La structure d’une cellule organique typique se compose de couches placées entre des électrodes (dont une transparente), où la couche active, un mélange de composés donneurs et accepteurs d’électrons, joue un rôle essentiel. Le processus de fabrication comprend le mélange de molécules donnant et acceptant des électrons avec un solvant, la création d’une fine couche active et la pulvérisation d’électrodes, dont la cathode est généralement une couche d’aluminium.

Les cellules OPV se distinguent par de nombreux avantages : elles sontflexibles, translucides, légères et peuvent contenir une couche absorbant la lumière jusqu’à 1 000 fois plus fine que les cellules de silicium. Malgré ces avantages, la technologie est confrontée à des défis tels qu’un faible rendement, une faible stabilité de fonctionnement et une courte durée de vie, principalement en raison de sa sensibilité à la dégradation due à l’humidité, à l’oxygène et à la lumière du soleil. Les recherches se concentrent sur l’amélioration de ces paramètres, et les dernières avancées ont permis d’obtenir une conversion d’énergie de près de20 %. Les scientifiques s’efforcent de comprendre le transport des charges dans ces cellules, en découvrant que la densité des états responsables de ce processus est plus complexe qu’on ne le pensait auparavant.

Applications dans les façades de bâtiments

Les panneaux solaires transparents trouvent une application particulièrement prometteuse dans laphotovoltaïque intégrée au bâtiment (BIPV), où ils sont intégrés de manière transparente dans des éléments structurels tels que les façades, les toits ou les fenêtres. Cette technologie remplit une double fonction : elle fait partie intégrante de l’enveloppe du bâtiment, tout en convertissant l’énergie solaire en électricité. On estime que rien qu’aux États-Unis, il existe un potentiel d’utilisation d’environ7 milliards de mètres carrés de surfaces vitrées, des fenêtres résidentielles aux façades des gratte-ciel, qui pourraient être occupés par des cellules photovoltaïques transparentes.

Les applications pratiques de cette technologie comprennent :

• L’intégration aux façades des bâtiments sans incidence négative sur leur esthétique.
• L’utilisation dans les serres, où les panneaux fournissent non seulement de l’énergie pour le chauffage et l’éclairage, mais réduisent également les dépenses énergétiques (dans un projet allemand, d’environ 20 %).
• L’installation sur les fenêtres, les toits en verre et les façades, où les panneaux opaques traditionnels ne pourraient pas être utilisés.
• La mise en œuvre dans les lanterneaux, où la lumière naturelle est essentielle, tout en conservant la fonction de production d’énergie.

Efficacité des panneaux semi-transparents

L’efficacité des panneaux photovoltaïques semi-transparents est un compromis entre la transmission de la lumière et le rendement énergétique. Contrairement aux panneaux monocristallins standard, qui atteignent un rendement de 19 à 24 %, les modules semi-transparents se caractérisent généralement par une efficacité légèrement inférieure en raison de leur capacité à transmettre une partie du rayonnement solaire. Le modèle suisse CLI400M10, utilisant 108 cellules monocristallines TOPCon, est un exemple de technologie BIPV (Building Integrated Photovoltaics) avancée qui maintient un rendement élevé malgré sa conception semi-transparente.

Principaux paramètres influençant l’efficacité des panneaux semi-transparents :

• Technologie de production des cellules - les solutions monocristallines offrent le rendement le plus élevé.
• Conditions atmosphériques - l’ensoleillement et la température influent directement sur le rendement énergétique.
• Durabilité - les panneaux semi-transparents de haute qualité conservent jusqu’à 88 % de leur rendement initial après 30 ans d’utilisation.
• Orientation et angle d’inclinaison - une installation appropriée peut considérablement augmenter l’efficacité, une puissance nominale de 1 kWc correctement installée devant générer environ 1 000 kWh par an en France.

Optimisation de la croissance des plantes

Les panneaux photovoltaïques semi-transparents offrent des avantages uniques aux plantes dans les bâtiments, en particulier dans les serres. Des études menées par l’université d’État de Caroline du Nord ont montré que la laitue cultivée sous des cellules solaires organiques (ST-OSC) ne présentait pas de différences significatives dans les paramètres clés, tels que le niveau d’antioxydants, l’absorption de CO₂, la taille et le poids, par rapport aux plantes cultivées dans des conditions standard. En effet, ces panneaux spécialisés absorbent principalement les longueurs d’onde de la lumière qui ne sont pas utilisées par les plantes dans le processus de photosynthèse.

Les systèmes agrivoltaïques avancés optimisent en outre la croissance des plantes grâce à :

• La conversion du rayonnement UV en un spectre rouge, plus bénéfique pour la photosynthèse grâce à l’utilisation de nanotechnologies.
• La création d’un microclimat favorable grâce à un ombrage partiel, qui réduit le stress thermique des plantes.
• La régulation de la température dans les serres, ce qui élimine le besoin de chauffage ou de refroidissement supplémentaire.
• L’augmentation de la production de biomasse végétale jusqu’à50 % grâce à une disposition appropriée des panneaux.

Matériaux semi-conducteurs avancés

Les panneaux photovoltaïques transparents utilisent des matériaux et des technologies innovants qui leur permettent d’absorber sélectivement des longueurs d’onde de lumière invisibles à l’œil humain, tout en laissant passer la lumière visible. Les principaux matériaux utilisés dans ces constructions sontl’oxyde d’indium et d’étain (ITO), le disulfure de tungstène et les sels organiques, qui absorbent le rayonnement ultraviolet et infrarouge. Des chercheurs de l’université d’État du Michigan ont mis au point les premières cellules entièrement transparentes en 2014, en utilisant des composés organiques pour absorber les longueurs d’onde invisibles, ce qui a permis au verre de fonctionner comme une vitre classique tout en produisant de l’énergie.

Technologiquement, les panneaux transparents se divisent en plusieurs types :

• Cellules solaires en pérovskite avec une large bande interdite, fonctionnant comme des absorbeurs d’UV efficaces.
• Cellules solaires à colorant absorbant le proche infrarouge (NIR).
• Cellules solaires organiques (OPV) utilisant des composés de carbone, offrant flexibilité et coût de production inférieur.
• Systèmes tandem combinant différentes technologies, atteignant un rendement de conversion d’énergie (PCE) jusqu’à14 % avec une transmission lumineuse visible moyenne (AVT) supérieure à55 %.

Les dernières avancées dans ce domaine permettent de créer des cellules dont la transparence atteint80 % avec un rendement allant jusqu’à8 %, ce qui ressemble visuellement à une fenêtre à double vitrage. Bien que le rendement actuel des panneaux transparents soit inférieur à celui des solutions de silicium traditionnelles, leur potentiel d’application et les travaux de recherche en cours suggèrent un développement important de cette technologie dans les années à venir.