Comme la technologie solaire traditionnelle au silicium, les OSC transforment l'énergie du soleil en électricité utilisable. Mais ils sont bien plus polyvalents que le solaire photovoltaïque conventionnel. Les OSC sont légers et flexibles et peuvent être semi-transparents ou de différentes couleurs. Ces qualités leur donnent des applications potentielles pour les cellules solaires intégrées dans le textile, les véhicules et les bâtiments, et pour créer de l'énergie dans des zones où elle n'existe pas.

Applications uniques

Alors que des financements et des recherches supplémentaires sont nécessaires pour amener les OSC sur le marché commercial, les experts conviennent qu'ils joueront un rôle important dans l'avenir de la technologie solaire. Cela dit, ils ne remplaceront ni ne rivaliseront pas avec les cellules solaires au silicium. "Nous ne devrions pas nous attendre à voir de vastes champs d'OSC, comme ceux qui génèrent des gigawatts de puissance dans les fermes solaires au silicium", explique Seth Marder, professeur de chimie à Georgia Tech. Le silicium solaire convient à la fourniture d'énergie solaire à grande échelle, tandis que les OSC ont d'autres atouts uniques qui guident leurs applications dans le monde réel. 

Deux caractéristiques uniques des OSC sont leur finesse et leur flexibilité. Alors qu'une cellule solaire au silicium typique est à peu près aussi épaisse que la largeur moyenne d'un cheveu humain, la plupart des OSC sont environ mille fois plus minces. En raison de leur finesse et de leur flexibilité, les OSC peuvent être fabriqués sur des surfaces courbes et des supports flexibles. Par exemple, ils peuvent être patchés ou intégrés dans le tissu des tentes, des sacs à dos et même des vêtements. La plupart de ces produits sont encore en cours de développement et occupent un marché de niche, mais ils démontrent la créativité innovante des OSC. Avec la technologie OSC, les possibilités d'utilisation des cellules solaires ont été considérablement élargies au-delà des toits et des fermes solaires.

Les OSC peuvent également être rendues transparentes, semi-transparentes ou de différentes couleurs. En conséquence, il existe de nombreuses applications potentielles pour une utilisation architecturale. Par exemple, des OSC transparents pourraient être intégrés dans les fenêtres pour générer de l'énergie à partir de la lumière du soleil qui pourrait autrement réchauffer une pièce et contribuer à des coûts de climatisation plus élevés. Franky So, professeur de science des matériaux et d'ingénierie à la North Carolina State University, propose une autre application : les OSC pourraient être utilisés dans les toits ouvrants pour alimenter les véhicules électriques et hybrides.

De plus, les faibles investissements initiaux et les coûts d'expédition des produits potentiellement faibles rendent la technologie OSC accessible aux communautés des pays en développement qui n'ont pas accès à un réseau électrique et les moyens financiers pour en construire un. Les OSC ont une capacité unique à « apporter du pouvoir là où le pouvoir n'existe pas », explique Malika Jeffries-EL, professeure agrégée de chimie à l'Université de Boston. Dans ces cas, la technologie OSC pourrait fournir de l'électricité essentielle dans les plus petites quantités nécessaires à des tâches telles que l'éclairage, le chargement des téléphones portables et la réfrigération des médicaments et des vaccins.

Un autre argument de vente des OSC est qu'elles consomment moins d'énergie à fabriquer que les cellules solaires au silicium. Des fours extrêmement chauds – jusqu'à 1,500 2,700 °C (XNUMX XNUMX °F) – sont nécessaires pour générer du silicium de haute pureté pour les cellules solaires en silicium. Par comparaison, les OSC à grande échelle peuvent être fabriqués en imprimant simplement les couches de la cellule sur un support dans un processus similaire à celui utilisé pour imprimer des journaux. Parce que ce processus consomme moins d'énergie, les OSC ont un temps de récupération d'énergie nettement plus court que les cellules au silicium. En d'autres termes, les OSC nécessitent un temps plus court pour générer la quantité d'énergie nécessaire à leur fabrication.

Processus Simplifié pour Assurer votre Conformité

La première cellule solaire organique a été développée en 1958, mais ce n'est que dans les années 2000 que les OSC ont connu une augmentation significative de leur efficacité. Cette technologie OSC améliorée a émergé du domaine des diodes électroluminescentes organiques, communément appelées OLED. La technologie OLED est utilisée pour de nombreux écrans de télévision et de téléphone sur le marché aujourd'hui. Dans un écran OLED, une couche de molécules organiques (molécules composées principalement d'atomes de carbone et d'hydrogène) émet de la lumière lorsqu'un courant électrique est appliqué. Les OSC fonctionnent essentiellement de la manière opposée : la couche de molécules organiques génère un courant électrique lorsqu'elle est exposée à la lumière.

Une cellule solaire organique est composée de plusieurs couches de matériaux, dont l'une est la couche acceptrice. Lorsque la lumière du soleil frappe la cellule, un électron est libéré de la couche de molécules organiques, et le travail de l'accepteur est de transmettre cet électron à l'électrode. Ce processus provoque une accumulation de charge, ce qui génère de l'électricité.

Traditionnellement, les accepteurs les plus couramment utilisés dans les OSC étaient des matériaux à base de fullerène, une molécule composée de 60 atomes de carbone réunis dans une structure qui ressemble à un ballon de football. Cependant, avec les accepteurs de fullerène, l'efficacité des OSC était limitée à environ 10 %. En d'autres termes, seulement 10 % de la lumière du soleil frappant la cellule solaire a été convertie en électricité. Les chercheurs ont donc entrepris d'explorer de nouveaux types de couches acceptrices comme moyen d'augmenter l'efficacité de l'OSC.

La percée qui a permis aux OSC d'atteindre des rendements plus élevés a été le développement d'accepteurs de non-fullerène (NFA). Avec les NFA, l'efficacité des OSC a fortement augmenté — jusqu'à% 18 en quelques années seulement. Cela a amené les OSC à l'extrémité inférieure de la 18% à 22% d'efficacité de la cellule solaire au silicium moyenne disponible dans le commerce. Cette augmentation de l'efficacité a dépassé les attentes de nombreux experts, dont certains ont commencé à travailler sur le terrain alors que l'efficacité des OSC oscillait autour de seulement 3 %. « Si, il y a 10 ans, vous m'aviez dit que nous aurions des cellules solaires organiques d'une efficacité de 18 %, j'aurais ri », dit Marder.  

Obstacles à surmonter

Il reste encore beaucoup de travail à faire avant que les OSC puissent être largement commercialisés. L'un des plus grands défis concerne les solvants utilisés dans le processus de fabrication. La plupart des OSC les plus performantes sont fabriquées à l'aide de solvants chlorés, qui présentent à la fois des risques pour la santé et l'environnement. "Lors de l'intensification de la fabrication OSC, vous devez tenir compte de l'exposition des personnes qui travailleront dans les usines de fabrication", explique Bernard Kippelen, professeur de génie électrique et informatique à Georgia Tech. La recherche à ce jour s'est concentrée en grande partie sur l'obtention d'efficacités de plus en plus élevées, mais comme le dit Kippelen, « nous avons besoin d'une approche qui va bien au-delà d'un simple chiffre ». Pour faire des OSC une technologie viable, le processus de fabrication doit être optimisé pour le rendre plus sûr et plus rentable.

Un autre obstacle à la production de masse d'OSC est la différence entre l'efficacité des cellules individuelles testées dans des conditions de laboratoire idéales et l'efficacité qui a été démontrée pour des modules plus grands. Les cellules individuelles peuvent avoir une efficacité élevée, mais l'assemblage de plusieurs cellules en modules, panneaux ou matrices nécessite des connexions électriques supplémentaires qui réduiront l'efficacité. Cependant, comme le souligne Kippelen, de telles disparités sont attendues. « Il faut un certain temps avant que les augmentations de l'efficacité des cellules se reflètent dans l'efficacité des modules sortant des chaînes de fabrication », dit-il. « Il en était de même pour les cellules solaires au silicium. »

Le financement de la recherche OSC est une autre préoccupation. Aux États-Unis, une grande partie du financement de la recherche sur les cellules solaires provient d'agences gouvernementales, telles que le ministère de l'Énergie. Cependant, selon Kippelen, "de nombreuses sources de financement se sont en quelque sorte taries pour faire de la recherche sur l'OSC", en raison de l'émergence d'une classe de cellules solaires en pleine expansion appelée pérovskites. « L'utilisation des pérovskites a suscité beaucoup d'enthousiasme, car leur efficacité est même supérieure à celle du silicium dans certains cas », explique Kippelen. Cependant, même si le financement des OSC a diminué aux États-Unis, la Chine continue d'être le fer de lance de la recherche et du développement des OSC. « La quantité de travail [sur la recherche OSC] aux États-Unis représente une infime fraction de la quantité de travail en Chine », explique Marder. "Les gens en Chine s'en donnent à cœur joie." 

Raisons de l'optimisme

La future consommation mondiale d'énergie continuera d'augmenter, d'autant plus que les pays en développement aspirent aux mêmes avantages de production d'énergie à la demande que les pays développés. Des chercheurs comme Marder, Kippelen, Jeffries-EL et So affirment que la technologie OSC a le potentiel de jouer un rôle unique et important dans la transition mondiale vers les énergies renouvelables. L'augmentation récente de l'efficacité des OSC à 18% a poussé de nombreux chercheurs à faire progresser cette technologie, et les scientifiques étudient maintenant les OSC en tandem (qui utilisent deux matériaux différents qui absorbent des longueurs d'onde distinctes de la lumière solaire) pour capturer encore plus d'énergie. Certains espèrent que ce développement pourrait augmenter encore plus l'efficacité de l'OSC - jusqu'à 20 %.

Kippelen appelle à une vision à long terme de la technologie OSC. "La technologie solaire va exister pendant longtemps", dit-il, "et je crois vraiment qu'OSC, avec le temps, s'établira comme une technologie vraiment importante."

A propos de l'auteur

 Kellie Stellmach est une étudiante diplômée poursuivant son doctorat. en chimie à Georgia Tech. Elle est passionnée par le développement de nouveaux matériaux organiques pour relever les défis environnementaux et de durabilité. Ses recherches actuelles portent sur la synthèse de polymères à basse température plafond avec des applications potentielles en tant que matériaux recyclables.

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Cet article a paru sur Ensia