Des cellules solaires semi-transparentes pourraient transformer les fenêtres en générateurs d'électricité

SadaNews - L'idée de produire de l'électricité à partir des façades des bâtiments n'est plus limitée aux panneaux solaires traditionnels sur les toits. Des chercheurs de l'Université Technologique de Nanyang à Singapour ont développé un nouveau type de cellules solaires ultra-fines et semi-transparentes, pouvant ouvrir la voie à l'intégration de l'énergie solaire dans les fenêtres, les façades vitrées, et peut-être même dans les voitures et les appareils portables, sans changement significatif de leur apparence extérieure.

Des cellules presque invisibles

L'équipe de recherche est dirigée par la professeure Annalisa Bruno de l'Université Technologique de Nanyang. Les chercheurs ont réussi à produire des cellules solaires à base de pérovskite avec une couche d'absorption d'à peine 10 nanomètres d'épaisseur, ce qui les rend environ 10 000 fois plus fines qu'un cheveu humain, et environ 50 fois plus fines que les cellules pérovskites traditionnelles. Malgré cette épaisseur réduite, ces cellules ont atteint des niveaux d'efficacité parmi les meilleurs enregistrés dans la catégorie des cellules solaires ultra-fines de ce type.

L'importance de ces cellules ne réside pas seulement dans leur finesse, mais aussi dans leur semi-transparence et leur neutralité de couleur. Cela signifie qu'elles peuvent être intégrées dans le verre et les fenêtres sans transformer les bâtiments en surfaces sombres ou changer visiblement l'apparence des façades. En pratique, les fenêtres pourraient devenir une partie de la structure productrice d'énergie, plutôt que de n'être qu'un élément architectural qui laisse passer la lumière.

Pourquoi la pérovskite ?

Les cellules solaires traditionnelles reposent souvent sur le silicium, mais elles sont généralement opaques et nécessitent des espaces dédiés comme des toits ou des champs solaires. En revanche, les cellules de pérovskite se distinguent par leur capacité à être fabriquées par des méthodes plus simples et à des températures relativement basses, tout en pouvant être ajustées pour absorber certaines longueurs d'onde de lumière tout en permettant le passage d'une partie de la lumière visible.

La professeure Bruno souligne que l'environnement construit consomme environ 40 % de l'énergie mondiale, d'où la nécessité croissante de technologies capables de transformer les surfaces des bâtiments elles-mêmes en sources d'énergie. Elle estime que les nouvelles cellules de pérovskite offrent un avantage significatif car elles peuvent être produites par des processus relativement simples, et leurs propriétés optiques peuvent être modifiées pour rester partiellement transparentes, avec un potentiel d'expansion sur de grandes surfaces.

Ce point est crucial pour les villes densément peuplées, où les toits ne suffisent pas toujours à installer un grand nombre de panneaux solaires. Les façades vitrées des tours et des bâtiments commerciaux représentent une grande surface, mais sont souvent inexploitées pour la production d'électricité.

Performance sous lumière indirecte

Un des avantages des cellules de pérovskite est leur capacité à générer de l'électricité même dans des conditions de lumière indirecte ou diffuse. Cela les rend adaptées aux environnements urbains où les ombres, les nuages ou l'angle de la lumière du soleil peuvent limiter l'efficacité des panneaux traditionnels, notamment sur les façades verticales.

Selon des estimations préliminaires fournies par les chercheurs, si cette technologie est étendue tout en maintenant des performances similaires, une grande façade vitrée dans un bâtiment de bureaux pourrait produire plusieurs centaines de mégawattheures par an. Cela équivaut, selon l'exemple donné dans l'étude, à la consommation annuelle d'électricité d'environ 100 appartements de quatre chambres à Singapour, les résultats variant en fonction de la surface vitrée exploitable et de l'orientation du bâtiment.

Fabrication sans solvants toxiques

Pour produire ces cellules ultra-fines, les chercheurs ont utilisé une méthode industrielle connue sous le nom d'évaporation thermique. Dans ce processus, les matériaux sont chauffés à l'intérieur d'une chambre à vide jusqu'à ce qu'ils s'évaporent, puis se déposent sur une surface donnée pour former une couche mince uniforme. Cette méthode aide à contrôler avec précision l'épaisseur des couches de pérovskite, tout en évitant l'utilisation de certains solvants toxiques, réduisant ainsi les défauts dans la cellule, ce qui peut améliorer sa capacité à convertir la lumière en électricité.

L'équipe pense que c'est la première fois que des cellules de pérovskite ultra-fines sont entièrement fabriquées par des processus basés sur le vide. Si la faisabilité de ce processus à grande échelle est confirmée, elle pourrait devenir plus adaptée à la production industrielle à grande échelle par rapport à certaines autres méthodes de laboratoire.

Chiffres d'efficacité et de transparence

Les chercheurs ont réussi à produire des cellules non transparentes à partir de pérovskites avec différentes épaisseurs. Les cellules ont atteint une efficacité de conversion de l'énergie d'environ 7 % à une épaisseur de 10 nanomètres, 11 % à 30 nanomètres, et 12 % à 60 nanomètres. La cellule semi-transparente avec une couche de 60 nanomètres d'épaisseur a permis le passage d'environ 41 % de la lumière visible, avec une efficacité de conversion de 7,6 %.

Ces chiffres ne signifient pas que la technologie rivalise avec des panneaux en silicium traditionnels en termes d'efficacité absolue, mais elle offre un certain degré de transparence tout en générant une électricité utile. C'est l'essence d'applications comme les fenêtres solaires ou les façades vitrées productrices d'énergie, où des panneaux sombres ou opaques ne peuvent pas être utilisés dans tous les cas.

Utilisations potentielles

L'application la plus évidente est pour les bâtiments, car ces cellules peuvent être utilisées dans des fenêtres, des façades vitrées et des surfaces architecturales difficiles à couvrir avec des panneaux solaires traditionnels. Mais les chercheurs soulignent également d'autres possibilités, telles que les fenêtres de voitures ou leurs toits vitrés qui aident à charger la batterie en restant sous le soleil, ou des lunettes intelligentes qui utilisent des lentilles pour alimenter de petits composants électroniques.

Ces utilisations sont encore dans le cadre des possibilités de recherche et ne sont pas des produits commerciaux prêts. Mais elles reflètent une tendance plus large dans le domaine de l'énergie solaire, où il y a un passage de l'installation de panneaux à des endroits spécifiques à l'intégration de la production d'électricité dans les matériaux et surfaces du quotidien.

Qu'est-ce qui manque encore ?

Malgré des résultats prometteurs, il reste des défis à relever avant d'atteindre une utilisation commerciale. Un commentaire indépendant du professeur Sam Stranks de l'Université de Cambridge indique que les résultats présentent un équilibre prometteur entre transparence et génération d'énergie, mais que les tests cruciaux à venir porteront sur la stabilité à long terme, la durabilité et les performances sur des surfaces plus grandes.

Ces points sont essentiels car les fenêtres et les façades ne fonctionnent pas dans un laboratoire. Elles sont exposées à la chaleur, à l'humidité, à la poussière et à un nettoyage constant, et ont besoin d'une durée de vie opérationnelle longue. Par conséquent, la réussite de la cellule en laboratoire ne suffit pas à prouver sa capacité à fonctionner dans un bâtiment, une voiture ou un appareil portable pendant des années.

Université de Nanyang a déposé une demande de brevet concernant le développement de ces films ultra-fins, et les chercheurs en cours de discussion avec des entreprises pour vérifier et standardiser le processus de fabrication, tout en continuant de travailler sur l'amélioration de la stabilité, de la durabilité et des performances sur de grandes surfaces.

L'énergie des villes à partir du verre

Cette étude intervient à un moment où les pressions sur les villes pour produire de l'énergie propre sans nécessiter de terrains supplémentaires augmentent. Les panneaux solaires sur les toits sont importants, mais ils n'exploitent pas toutes les surfaces disponibles dans les villes à forte densité. En revanche, le verre et les façades verticales pourraient potentiellement devenir une couche supplémentaire pour la production d'électricité si les cellules transparentes ou semi-transparentes réussissent à surmonter les défis d'efficacité, de durabilité et de production à grande échelle.