Modules solaires semi-transparents : le Fraunhofer ISE franchit une étape clé vers l’industrialisation

Produire de l’électricité tout en laissant passer la lumière naturelle représente l’une des frontières les plus prometteuses du photovoltaïque intégré au bâti. Des chercheurs du Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (Fraunhofer ISE) et de l’Université de Fribourg ont récemment démontré qu’il est possible de fabriquer des modules photovoltaïques organiques semi-transparents performants en s’appuyant sur des procédés déjà éprouvés à l’échelle industrielle. Cette avancée, publiée dans la revue scientifique Joule, pourrait accélérer l’adoption de cette technologie dans les façades vitrées, les serres agricoles ou encore les toitures de véhicules.

Des performances record pour des modules photovoltaïques organiques semi-transparents

Les prototypes développés par l’équipe allemande affichent des caractéristiques techniques remarquables. Sur une surface active de 210,25 cm², les meilleurs modules atteignent un rendement de conversion de 9,26 %. Surtout, ils conservent une transmission moyenne de 43,2 % dans le spectre visible. Autrement dit, ces modules laissent passer près de la moitié de la lumière tout en produisant de l’électricité.

Ce compromis entre production électrique et transparence est mesuré par un indicateur spécifique : la Light Utilization Efficiency (LUE). Dans le cas présent, elle atteint 4 %. Ce chiffre est significatif, car il traduit la capacité du module à utiliser efficacement la lumière disponible, à la fois pour générer du courant et pour éclairer naturellement les espaces intérieurs.

Les cellules photovoltaïques organiques présentent en effet un avantage majeur par rapport aux technologies conventionnelles : elles peuvent être conçues pour absorber sélectivement certaines longueurs d’onde. Les chercheurs du Fraunhofer ISE ont ainsi optimisé leurs cellules pour capter principalement le rayonnement proche infrarouge, invisible à l’œil humain, tout en laissant traverser une grande partie de la lumière visible. Cette approche ouvre la voie à des vitrages photovoltaïques qui ne compromettent pas le confort visuel des occupants.

Des procédés de fabrication compatibles avec une production à grande échelle

Au-delà des performances brutes, c’est la méthode de fabrication qui constitue la véritable innovation de ces travaux. Les scientifiques ont combiné deux techniques industrielles bien connues : la pulvérisation cathodique, également appelée sputtering, et l’enduction par filière plate, ou slot-die coating.

La pulvérisation cathodique est un procédé de dépôt sous vide qui permet d’appliquer des couches minces de matériaux avec une grande précision. L’enduction par filière plate, quant à elle, est une technique de revêtement en continu qui consiste à déposer une solution liquide sur un substrat à travers une buse plate. Ces deux méthodes sont déjà largement utilisées dans l’industrie, notamment pour la fabrication de batteries, de revêtements optiques ou de films fonctionnels.

Cette compatibilité industrielle est essentielle, car le passage à de plus grandes surfaces constitue l’un des principaux défis du photovoltaïque organique. Comme le souligne Uli Würfel, responsable du département Photovoltaïque organique et pérovskite au Fraunhofer ISE, les bonnes performances obtenues sur de petites cellules en laboratoire sont souvent difficiles à reproduire lorsque l’on augmente la taille des modules. Or, l’équipe affirme être parvenue, pour la première fois, à déposer l’ensemble des couches actives par enduction avec une perte de performances pratiquement inexistante.

Une structure complexe au service de la transparence

Chaque module semi-transparent rassemble plus de 100 cellules interconnectées grâce à une structuration laser. Cette architecture comprend plusieurs couches fonctionnelles soigneusement optimisées. L’électrode arrière, tout d’abord, est conçue pour réfléchir la lumière proche infrarouge. Elle est appliquée par pulvérisation cathodique, une étape réalisée en amont du processus d’enduction.

La couche absorbante, ensuite, est constituée de semi-conducteurs organiques. Ces matériaux carbonés présentent l’avantage d’être flexibles, légers et potentiellement moins coûteux à produire que le silicium cristallin. Ils peuvent également être déposés à basse température, ce qui élargit la gamme de substrats envisageables, y compris les films plastiques souples.

Enfin, l’électrode supérieure est réalisée sans métal, à partir d’un polymère conducteur appelé PEDOT. Ce matériau transparent est déposé en solution, ce qui le rend compatible avec les procédés d’enduction à grande échelle. Le partenaire industriel Heraeus Epurio a spécialement développé une nouvelle formulation de ce polymère afin d’améliorer encore la transparence des modules et leurs performances optiques.

Des modules solaires flexibles résistants à la flexion

L’utilisation de l’enduction par filière plate ouvre également la voie à des procédés de fabrication en continu de type rouleau-à-rouleau. Cette technique, comparable à celle utilisée pour imprimer des journaux, permet de produire des modules solaires sur des films souples de très grande longueur.

Dans le cadre du projet « Durchblick-PV », les chercheurs ont ainsi fabriqué les premiers modules photovoltaïques organiques flexibles. Ces prototypes ont fait preuve d’une remarquable robustesse : ils ont conservé 100 % de leur rendement initial après 1 274 cycles de flexion autour d’une tige de 15 millimètres de diamètre. Les films utilisés pour ces essais ont été fournis par la société ROWO Coating, un autre partenaire industriel du projet.

Cette résistance mécanique est cruciale pour des applications où les panneaux doivent épouser des surfaces courbes ou subir des déformations répétées. Les futurs développements viseront à augmenter la surface de ces modules flexibles tout en maintenant leurs performances électriques et leur transparence.

D’après les données publiées par le Fraunhofer ISE, les modules organiques présentant une transmission lumineuse supérieure à 50 % pourraient, à terme, remplacer certains vitrages dans les façades de bâtiments ou les serres agricoles. Cette perspective est particulièrement intéressante pour le secteur de l’agrivoltaïque, où il s’agit de concilier production alimentaire et production d’énergie sur une même parcelle. En laissant passer suffisamment de lumière pour la photosynthèse tout en protégeant les cultures des excès de chaleur, ces modules pourraient contribuer à améliorer la résilience des exploitations agricoles face au changement climatique.

Des applications multiples dans le bâtiment et le transport

Les avantages des modules photovoltaïques organiques semi-transparents ne se limitent pas aux serres. Dans le secteur du bâtiment, ces vitrages nouvelle génération pourraient être intégrés aux façades, aux verrières ou aux puits de lumière. Ils offriraient ainsi aux architectes une solution élégante pour produire de l’électricité sur site sans compromettre la luminosité des espaces intérieurs.

Dans certaines applications, une transparence plus faible pourrait même constituer un atout. C’est notamment le cas pour les toits de véhicules ou certains éléments de façade où un verre teinté est recherché pour des raisons esthétiques ou de protection solaire. Les semi-conducteurs organiques permettant de sélectionner précisément les longueurs d’onde absorbées, il devient possible d’adapter la teinte et la transparence des modules à chaque usage spécifique.

Les chercheurs du Fraunhofer ISE estiment par ailleurs pouvoir accroître sensiblement la transparence de leurs modules sans dégrader leur rendement électrique. Cette optimisation passe par un meilleur contrôle de l’épaisseur des couches déposées, l’affinement de la formulation des matériaux actifs et l’amélioration des électrodes transparentes.

Un projet collaboratif soutenu par le gouvernement allemand

L’ensemble de ces travaux a été mené dans le cadre du projet « Durchblick-PV », une initiative dédiée au développement de modules solaires organiques à forte transparence visuelle. Soutenu par le ministère fédéral allemand chargé de l’Économie, ce projet rassemble un consortium de partenaires académiques et industriels : Heraeus Epurio, ROWO Coating, ASCA, l’Université de Fribourg et le Fraunhofer ISE.

Cette synergie entre recherche publique et industrie est essentielle pour accélérer le transfert technologique. Les résultats publiés début août dans la revue Joule ne correspondent pas encore à l’annonce d’un produit commercial, mais ils démontrent que des modules photovoltaïques organiques semi-transparents peuvent désormais être fabriqués avec des procédés compatibles avec une production industrielle à grande échelle.

Les prochaines étapes consisteront à augmenter la taille des modules flexibles, à affiner leur transparence et à évaluer leur durabilité sur le long terme. L’objectif, à terme, est de proposer des solutions commerciales compétitives par rapport aux vitrages photovoltaïques existants, tout en offrant des fonctionnalités supplémentaires grâce à la flexibilité et la légèreté des matériaux organiques.

Cette avancée s’inscrit dans un contexte plus large d’innovation dans le domaine du photovoltaïque de nouvelle génération. On peut citer les travaux sur les cellules pérovskites, qui affichent des rendements en forte progression, ou encore le développement de modules photovoltaïques transparents intégrés aux vitrages, comme ceux explorés par l’équipe de recherche de l’université de Californie. Pour en savoir plus sur les enjeux des matériaux organiques, le laboratoire national du Lawrence Berkeley propose également une synthèse complète sur les découvertes récentes en matière de cellules solaires organiques.

Alors que la transition énergétique s’accélère, la capacité à intégrer la production photovoltaïque dans l’environnement bâti devient un enjeu majeur. Les modules semi-transparents pourraient bien représenter l’une des réponses les plus prometteuses à ce défi, en transformant de simples surfaces vitrées en véritables centrales électriques invisibles.

Aurélien CHAPUIS

Aurélien Chapuis est diplômé du Master Management et Gestion de l’Énergie de l’ESCP Business School. Expert en stratégie photovoltaïque et business developer pour PV Solaire Énergie depuis 2019, il accompagne les professionnels du secteur dans leur croissance et vulgarise les enjeux de la transition énergétique pour le grand public.

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