Le 12 mars 2023, Le Monde titrait « L’énergie solaire, grande gagnante de la transition énergétique partout dans le monde… sauf en France ». Flexibilité, facilité d’installation, coûts en chute libre… il est aisé de comprendre pourquoi l’énergie solaire s’impose comme le champion incontesté de la transition énergétique aux Etats-Unis, en Chine, aux Pays-Bas ou encore en Allemagne… mais pas tellement en France, à une nuance près : si le constat est vrai pour les « méga » installations solaires, il ne l’est pas forcément pour l’énergie solaire à l’échelle des particuliers, qui profitent de nouvelles technologies plus accessibles, plus flexibles et (beaucoup) plus abordables.
Dernier né de cette course à l’innovation, le panneau solaire organique. Encore mystérieux pour beaucoup, ce système représente un tournant potentiellement révolutionnaire dans le domaine des énergies renouvelables. Que sont ces fameux panneaux solaires organiques ? A quoi servent-ils ? Quel rôle peuvent-ils jouer dans notre quête collective d’un avenir plus durable ? C’est ce que nous allons découvrir dans la suite.
Comment les panneaux solaires organiques fonctionnent-ils ?
S’il y a une chose qui rend les panneaux solaires organiques particulièrement intéressants, c’est leur façon unique de convertir la lumière du soleil en électricité. Au cœur de cette technologie se trouvent des matériaux fascinants : les polymères organiques.
Dans le détail, contrairement aux panneaux solaires traditionnels qui utilisent des matériaux inorganiques comme le silicium, les panneaux solaires organiques embarquent de minces couches de molécules organiques pour capter la lumière du soleil. Ces molécules sont généralement des polymères semi-conducteurs, c’est-à-dire des chaînes de molécules organiques capables de transporter une charge électrique.
Lorsqu’une particule de lumière, ou photon, frappe ces polymères, elle transfère son énergie, excitant ainsi les électrons des molécules. Ces électrons excités se déplacent ensuite vers une couche dite « acceptrice », créant ainsi une différence de potentiel électrique qui peut ensuite être captée et convertie en électricité utilisable.
Le point sur le fonctionnement des cellules solaires organiques
Tout comme les cellules solaires en silicium monocristallin et polycristallin, les cellules solaires organiques produisent de l’électricité par effet photovoltaïque. Typiquement, la cellule photovoltaïque transforme la lumière du soleil en électricité utilisable en trois étapes :
- La lumière est absorbée et « arrache » des électrons à un matériau semi-conducteur ;
- Les électrons détachés circulent et créent un courant électrique ;
- Le courant est capté et transféré à des fils.
Dans une cellule solaire organique, le processus photovoltaïque est le même, à une différence près : des composés à base de carbone sont utilisés à la place du silicium comme matériau semi-conducteur.
Production est stockage de l’énergie
En termes de production et de stockage d’énergie, les panneaux solaires organiques fonctionnent de la même manière que leurs homologues inorganiques. L’électricité générée peut être utilisée immédiatement, stockée dans des batteries pour une utilisation ultérieure ou même renvoyée sur le réseau électrique.
Panneaux solaires organiques Vs. panneaux solaires traditionnels : quelles différences ?
A l’évocation des panneaux solaires, l’image qui nous vient généralement à l’esprit est celle des plaques de silicium cristallin, rigides et particulièrement lourdes (20 à 30 kg par m²), qui peuplent les toits des maisons, commerces et entreprises. Bien qu’ils aient fait leurs preuves, ces panneaux ont aujourd’hui un nouveau concurrent de taille (réduite) : les panneaux solaires organiques.
A première vue, les panneaux solaires organiques ressemblent à s’y méprendre à leurs homologues classiques, mais sous la surface, c’est une tout autre histoire. Ces panneaux nouvelle génération sont dotés de cellules organiques à base de carbone au lieu du traditionnel silicium, imprimées en couche extrêmement fine sur un support en plastique. Ils sont donc beaucoup plus légers, plus flexibles et potentiellement moins coûteux à produire.
Parfois appelés cellules solaires en polymère, les panneaux solaires organiques sont donc conçus pour être imprimés, comme vous le feriez avec de l’encre sur du plastique. Cette approche change la donne, permettant une production plus rapide et moins coûteuse et ouvrant la voie à une multitude de nouvelles applications. Imaginez un instant des fenêtres qui produisent de l’électricité, des tentes qui alimentent vos gadgets en camping ou même des vêtements qui chargent votre téléphone pendant que vous marchez…
Malgré cet énorme potentiel, la technologie des panneaux solaires organiques n’en est encore qu’à ses premiers balbutiements. Pour l’heure, ces panneaux ne peuvent pas rivaliser avec l’efficacité des panneaux solaires à base de silicium, mais la technologie avance à pas de géants dans ce domaine, au point qu’il ne faille peut-être pas attendre bien longtemps avant qu’ils ne deviennent une alternative sérieuse et économiquement viable, transformant ainsi notre façon de penser et d’utiliser l’énergie solaire. De là à dire que les panneaux solaires organiques sont l’avenir de l’énergie solaire, il n’y a plus qu’un pas…
A noter : selon une étude du ministère américain de l’énergie, les cellules solaires organiques dernière génération arrivent à restituer un rendement de 11 %, qui est donc comparable à celui des panneaux solaires amorphes, contre 22 % pour les panneaux monocristallins.
Panneaux solaires organiques : quels avantages ?
Si les panneaux solaires organiques font autant parler d’eux, c’est qu’ils présentent quelques avantages par rapport aux panneaux solaires rigides que l’on connaît. Bien que leur efficacité soit encore inférieure à ces derniers, leur capacité à fonctionner de manière optimale dans différentes conditions d’éclairage, leur flexibilité et leur coût de production (potentiellement) moindre pourraient bientôt faire la différence et doper leur potentiel de commercialisation.
Voici donc, en quelques points clés, ce qui rend les panneaux solaires organiques si prometteurs et pourquoi ils pourraient bientôt révolutionner le secteur de l’énergie solaire.
Coût, flexibilité et légèreté
Le coût est sans doute l’un des atouts majeurs des panneaux solaires organiques. Grâce aux matériaux à base de carbone, leur fabrication s’avère moins onéreuse que celle des panneaux en silicium. Aussi, leur procédé de production en rouleaux fins, similaire à l’impression, permet de réduire davantage le coût de revient.
Et parce qu’ils sont produits en rouleaux ou imprimés directement en application sur un objet sous la forme d’un film mince, les panneaux solaires organiques sont autrement plus flexibles que les panneaux rigides en silicium. Ils peuvent être courbés, pliés et intégrés à des structures et des surfaces variées, ouvrant la voie à de nouvelles applications comme les fenêtres solaires ou les textiles producteurs d’énergie.
Cette flexibilité inédite est soutenue par le poids plume de ces panneaux nouvelle génération : environ 500 g par m², soit 40 fois moins que leurs homologues en silicium ! Ils sont donc plus adaptés aux structures plus légères et aux toitures qui ne supporteraient pas le poids des panneaux traditionnels.
Performance dans des conditions de faible luminosité
Les panneaux solaires organiques ont également l’avantage de produire de l’électricité dans des conditions de faible luminosité. Même si leur efficacité globale reste encore inférieure à celle des panneaux en silicium, notamment de type monocristallin, leur capacité à générer de l’énergie par temps nuageux ou en lumière diffuse les rend particulièrement adaptés aux zones où l’ensoleillement est moins intense.
Un impact environnemental (potentiellement) positif
A ce jour, peu d’études se sont penchées sur l’impact environnemental précis des panneaux solaires organiques. Difficile donc de fournir des données chiffrées à ce niveau. Il n’en reste pas moins que les cellules solaires organiques peuvent être jusqu’à 1 000 fois plus fines que les cellules solaires en silicium, ce qui permet de réaliser des économies substantielles sur les matériaux, et donc de préserver l’environnement. De plus, comme ils sont plus légers et moins encombrants, leur transport est également moins énergivore.
Quel rendement et quelles perspectives pour les panneaux solaires organiques ?
Lorsque nous parlons de rendement pour les panneaux solaires, nous nous référons à la capacité d’un panneau à convertir la lumière du soleil en électricité utilisable. Pour l’instant, avec un rendement proche de 11 %, les panneaux solaires organiques ne rivalisent pas encore avec leurs homologues en silicium sur ce terrain… mais leur rendement a considérablement progressé depuis leur apparition.
Les laboratoires de R&D s’activent d’ailleurs pour améliorer les rendements. Des progrès significatifs sont réalisés chaque année, et avec la maturation de la technologie, on peut s’attendre à ce que les panneaux solaires organiques deviennent de plus en plus compétitifs à ce niveau, se rapprochant du rendement des panneaux solaires polycristallins.
Perspectives d’utilisation des panneaux solaires organiques : un horizon lumineux
Grâce à leur flexibilité, leur légèreté et leur capacité à produire de l’énergie dans des conditions de faible luminosité, les panneaux solaires organiques ouvrent de nouvelles perspectives d’utilisation.
Par exemple, ils pourraient être intégrés dans des vêtements, des tentes ou des sacs à dos pour alimenter nos appareils électroniques en déplacement. Ils pourraient également être utilisés pour créer des fenêtres solaires, générant de l’électricité tout en laissant passer la lumière grâce aux panneaux solaires organiques semi-transparents.
Récemment, des experts de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ont mis au point un nouveau matériau qui améliore les performances et la stabilité des cellules photovoltaïques organiques.
Dans le détail, les chercheurs ont expérimenté des oligomères pour développer une alternative au transfert d’électrons. Les oligomères ont des chaînes plus courtes, ce qui signifie qu’ils peuvent être conçus avec plus de précision et qu’ils sont plus efficaces dans le proche infrarouge que les chaînes de polymères. Toutefois, l’inconvénient est que les oligomères sont très sensibles aux fluctuations de température et sont généralement plus instables.
Dans son étude, l’équipe a cherché à combiner le meilleur des deux mondes, en créant des semi-conducteurs non fullerènes à faible teneur en molécules qui ont un rendement élevé tout en étant robustes et durables. Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé une molécule appelée « Y6 », qui présente une structure symétrique et se compose d’atomes de carbone, d’azote, d’hydrogène, d’oxygène, de soufre et de brome.
L’équipe a également utilisé des mesures de diffusion bidimensionnelle des rayons X sous grand angle pour examiner la microstructure et le comportement des chaînes de molécules. Cette mise au point de la structure moléculaire a permis de développer un oligomère connu sous le nom de « OY3 », qui présente un rendement moyen de 15 % tout en offrant une excellente stabilité. De plus, OY3 a conservé 94 % de son rendement initial pendant 200 heures de fonctionnement et a démontré une durée de vie de plus de 25 000 heures. Cela signifie qu’avec un fonctionnement moyen de 1 500 heures par an, la durée de vie équivaut à plus de 16 ans.
En France, l’Institut National de l’Energie Solaire (INES) a fait encore mieux en fabriquant des cellules photovoltaïques organiques sur un substrat en verre avec un rendement de 25 % !
Des projets de transition énergétique à l’échelle locale
D’ores et déjà, la technologie des panneaux solaires organiques est déployée à l’échelle locale dans le cadre de projets ambitieux. C’est notamment le cas dans la communauté d’agglomération Pau Béarn Pyrénées, qui a dévoilé son projet baptisé « Asca Solar Wall » lors du Pau Motors Festival, un mur solaire rétroéclairé recouvert de cellules photovoltaïques organiques conçu en partenariat avec l’entreprise Asca.
Panneaux solaires organiques : une solution encore plus économique ?
Le Graal de l’énergie solaire ? Développer une technologie qui allie haut rendement, faible coût de production et faible impact environnemental. Le problème actuel des panneaux solaires organiques est qu’ils ne cochent pas toutes ces cases… en tout cas, pas celle du rendement et éventuellement celle du coût de production à l’échelle.
Niveau rendement, il faut savoir que les panneaux en silicium produisent 150 à 200 watts par mètre carré, tandis que les panneaux organiques produisent 40 watts par mètre carré. L’écart est loin d’être négligeable… Or, pour réduire les coûts, il faudrait arriver à un meilleur rendement, avec au moins 150 watts pour faire concurrence aux panneaux rigides.
Mais tout cela pourrait changer plutôt que prévu avec l’introduction attendue des panneaux solaires organiques hybrides. En 2021, Advanced Materials a en effet publié une étude sur la fabrication de cellules solaires organiques très efficaces avec des pertes d’énergie réduites en adaptant une structure hybride planaire/en vrac. Résultat : un rendement estimé à 18,5 % ! Avec un tel niveau d’efficacité, les perspectives sont pour le moins prometteuses pour une production à faible coût et à grande échelle au cours des prochaines années.
Panneaux solaires organiques : récapitulatif
Ultra flexibles, très légers, bons pour l’environnement, potentiellement moins coûteux… les panneaux solaires organiques multiplient les avantages. En utilisant des polymères et des molécules à base de carbone, ils offrent une nouvelle approche pour convertir la lumière du soleil en électricité, et ouvrent la voie à de nouvelles applications que l’on pensait jusqu’ici réservées aux mini panneaux solaires.
Cela dit, comme toute technologie naissante, les panneaux solaires organiques ont encore des défis à relever. Leur rendement, bien qu’en constante amélioration, n’est pas encore à la hauteur de celui des panneaux solaires traditionnels en silicium.
Les panneaux solaires organiques incarnent une vision dans laquelle l’énergie solaire est non seulement abordable et efficace, mais également intégrée de manière innovante et esthétique dans notre environnement quotidien.