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Renaud Demadrille du CEA nous parle des vitres photovoltaïques à double fonction

Essilor-Transition+++
Tech 8 min
Renaud Demadrille du CEA nous parle des vitres photovoltaïques à double fonction
Crédits : CEA

Des chercheurs viennent d’annoncer avoir franchi « un premier pas vers des vitres photovoltaïques photochromiques », dont la teinte peut donc changer en fonction du niveau d’ensoleillement. Renaud Demadrille, dernier auteur de la publication nous explique de quoi il en retourne exactement.

Le CEA s’est récemment fait l’écho d’une étude de chercheurs de l’Institut de recherche interdisciplinaire à Grenoble (Irig) publiée dans la revue Nature Energy : « Photochromic dye-sensitized solar cells with light-driven adjustable optical transmission and power conversion efficiency » (c’est presque aussi poétique qu’incompréhensible). Pour synthétiser l’idée, il est question d’une « nouvelle famille de colorants photochromes adaptés au photovoltaïque ».

Des vitrages photovoltaïques pour les bâtiments et les voitures

D’après le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives, ce travail « ouvre la voie à des vitrages photovoltaïques dont la transparence s’adapte à la luminosité, une application intéressante notamment dans le bâtiment ou dans le secteur automobile ». Nous avons donc voulu en apprendre davantage sur cette technologie et ses avancées par rapport aux précédentes découvertes (les colorants pour fabriquer des panneaux solaires n'étant pas nouveaux).

Le sujet est en effet complexe et mérite d’aller au-delà du simple communiqué de presse – trop succinct comme c’est souvent le cas – pour bien comprendre de quoi il s’agit, l’avancement du projet et ses débouchés potentiels.

Renaud Demadrille, chercheur de l’Institut Nanosciences et Cryogénie (Inac) et dernier auteur de la publication – une place signifiant qu’il est le chercheur « sénior » ayant guidé le projet – a répondu à nos questions.

Une cellule de Grätzel, c’est quoi ?

Commençons par une notion qui sera essentielle : que sont les cellules de Grätzel ? La Fondation Internationale Prix Balzan – dont Michael Grätzel était Lauréat en 2009 dans le domaine de la science des matériaux nouveaux –  l’explique ainsi

« Le professeur Grätzel est l’inventeur d’une nouvelle catégorie de cellules solaires destinées à transformer l’énergie du soleil en électricité. Dans une « cellule de Grätzel », les quanta de lumière sont capturés par des colorants qui libèrent des électrons dans un réseau semi-conducteur formé de nanoparticules d’oxydes. Ce processus produit l’énergie électrique […]

Au contraire des cellules au silicone utilisées communément, qui demandent du silicone très purifié et onéreux, les cellules de Grätzel utilisent des matériaux peu coûteux et représentent l’une des approches les plus prometteuses de l’exploitation de l’énergie solaire ».

La nouveauté de cette publication concerne la « nouvelle famille de colorants », le but étant de les utiliser dans des cellules de Grätzel ?

Une des nouveautés concerne effectivement une famille de colorant pour une utilisation en cellule de Grätzel, mais pas uniquement. Ces colorants sont des photochromes, capables de changer de couleur de manière réversible lorsqu’on les expose à la lumière. Ils conservent cette propriété une fois incorporés en cellules.

Il faut rappeler que les cellules de Grätzel peuvent être semi-transparentes, ces photochromes permettent par conséquent de moduler la transmission de la lumière à travers le dispositif et le rendement photovoltaïque.

Cette approche permettrait de concevoir des vitres photovoltaïques avec une double fonction : création de courant électrique et réduction de l’intensité lumineuse dans la pièce.

En 2015, des chercheurs de l’Inac (est-ce la même équipe puisque depuis 2019 l’Inac est englobé dans l’Irig ?) présentaient de « nouveaux colorants purement organiques ». L’annonce de cette semaine concerne également des colorants organiques, avec des améliorations comme un rendement supérieur ? Est-ce la seule différence ? Pouvez-vous détailler davantage les changements entre les colorants de 2015 et ceux de 2020 ?

Oui c’est la même équipe (celle de Renaud Demadrille) qui en 2015 publiait des colorants pour les panneaux solaires de type Grätzel. Ces colorants étaient purement organiques et présentaient des rendements supérieurs à 10 %.

Depuis cette date d’autres équipes ont atteint 14 % en laboratoire avec d’autres colorants. Ces colorants ne changent pas de couleur, une fois en cellule solaire la teinte est fixe. Pour atteindre 14 % les cellules ne sont pas transparentes elles sont opaques. Attention les colorants organiques présentés dans nos travaux aujourd’hui ne sont pas plus efficaces !

Leur rendement est d’environ 4 %, mais ils sont photochromes, c’est une différence majeure et c’est la première fois que ce type de composés est intégré avec succès dans une technologie photovoltaïque. Comme précisé ci-dessus, ils permettent à la cellule solaire semi-transparente de changer de teinte en fonction des conditions d’ensoleillement.

C’est une propriété unique dans le domaine du photovoltaïque (c’est le principe des lunettes de vue Essilor-Transition appliqué aux cellules solaires). 

Vous expliquez que « ces cellules s’assombrissent sous fort éclairement pour produire de l’électricité et s’éclaircissent dès que la lumière du soleil décline ». L’assombrissement est nécessaire pour la production d’électricité ou pour augmenter le rendement ? Est-il possible de « régler » les niveaux d’assombrissement ?

Oui, pour convertir la lumière en électricité il faut que la cellule solaire l'absorbe. Plus elle est sombre plus elle absorbe la lumière et plus efficace elle est pour la convertir en électricité. C’est le principe de base en photovoltaïque.

Lorsque la lumière diminue, le rendement diminue pour la plupart des technologies photovoltaïques, mais les cellules de Grätzel sont un peu particulières de ce point de vue, elles conservent une bonne efficacité même sous de faibles luminosités. Il sera possible avec un peu de travail de régler les niveaux d’assombrissement pour que ces cellules présentent une transmission de la lumière « minimale » en toute circonstance.

Les couleurs peuvent-elles être choisies lors de la production ? Si oui, le choix de la couleur influence-t-il le rendement ? Pouvez-vous me donner plus de détails sur les niveaux de rendement en fonction de la couleur/luminosité.

Les couleurs des cellules peuvent bien sûr être choisies lors de la production. Elles dépendent du colorant photochrome qui y est incorporé. De ce point de vue les possibilités sont immenses, le développement de nouveaux colorants photochromes va permettre de balayer tout le spectre des couleurs et les nuances à l’infinie.

Oui, le choix des colorants (et donc de la couleur) a une influence sur le rendement. Dans l’état actuel des connaissances, il semble que les colorants qui absorbent sur la gamme visible du spectre solaire jusqu’au proche infrarouge seront les plus efficaces. Dans notre étude c’est un colorant vert qui ressort comme étant le plus performant.

Mais nous travaillons sur des colorants dont les teintes grises permettront d’avoir un meilleur confort visuel et une efficacité améliorée.

Vous annoncez qu’une « cellule de surface active de 14 cm² a ainsi produit 32,5 mW après coloration ». Ce rendement reste-t-il du même ordre de grandeur lorsque la taille de la surface augmente ? Qu’en est-il du rendement de 14 % en laboratoire, combien visez-vous en situation réelle ?

En général les rendements diminuent lorsque la taille des cellules augmente. Le résultat de 32,5 mW pour 14 cm² est un premier résultat qui montre le potentiel de ces cellules photochromes.

Nous en sommes encore au stade de la recherche, la fabrication n’a pas été optimisée et nous espérons progresser rapidement dans les années qui viennent. Comme précisé plus haut nos cellules ont un rendement de l’ordre de 4 % en laboratoire, nous avons sur ce sujet mis en place un programme de recherche financé sur 5 ans, grâce à une bourse ERC (European Research Council) et nous espérons au moins doubler ces rendements dans les années à venir. 

Vous parlez d’une durée de vie de « 50 jours sans encapsulation », j’ai du mal à comparer avec d’autres solutions, avez-vous des échelles de comparaison à me préciser ? Avec une protection sur la cellule, quelle durée pensez-vous atteindre ?

Compte tenu de leur caractère photochrome, il n’était pas évident que les colorants développés dans cette étude soient très stables en cellule solaire. Or nous avons montré que les cellules qui les contiennent peuvent se colorer et se décolorer et produire de l’électricité pendant plusieurs mois en ne perdant que peu d’efficacité.

Une fois encore c’est un premier test qui vise à montrer le potentiel applicatif de ces colorants. En utilisant des éléments plus robustes et des protections sur la cellule on pourrait atteindre des stabilités sur plusieurs années.

À titre de comparaison les cellules de Grätzel que nous avons développé dans le passé ont montré des stabilités déjà supérieures à 10 ans.

Avez-vous une idée de calendrier pour la création d’un premier prototype de vitre photovoltaïque photochromique de grande taille (pour les bâtiments, les voitures) ? Même question pour une commercialisation et une production de masse.

Nous avons un projet financé par l’Europe sur le développement de cette technologie sur les cinq prochaines années et nous espérons développer les premiers prototypes de grandes tailles (plusieurs centaines de cm²) d’ici la fin de ce projet.

Il est beaucoup plus difficile de pronostiquer une date pour la commercialisation ou la production de masse, tout dépendra des performances atteintes par ces cellules et de l’intérêt des industriels issus des secteurs du bâtiment ou de l’automobile.

Avez-vous une idée du surcoût et du temps nécessaire avant d’obtenir un retour sur investissement ?

Très difficile de répondre à cette question, c’est une technologie qui en est à ses débuts et encore à un stade de recherche en amont. Je peux simplement dire que du point de vue énergétique, les cellules de Grätzel récupèrent l’équivalent de l’énergie qui a été nécessaire à leur fabrication en moins d’un an. Ce qui les rend très compétitives de ce point de vue.

40 commentaires
Avatar de wanou2 Abonné
Avatar de wanou2wanou2- 12/06/20 à 06:32:21

C'est intéressant. Quand on pense à ses grandes baies vitrées imposées par la RT2012 orientée vers le sud très utiles en hiver mais moins pertinentes en été :D

Avatar de Optrolight Abonné
Avatar de OptrolightOptrolight- 12/06/20 à 06:36:01

Silicon c'est de l'anglais pour silicium.
Sinon article intéressant. Merci

Avatar de fofo9012 Abonné
Avatar de fofo9012fofo9012- 12/06/20 à 06:58:34

"cellule de surface active de 14 cm² a ainsi produit 32,5 mW après coloration"
Une baie vitrée de 2m x 2m produirait 93W c'est pas trop mal! Bon je ne suis pas certain de voir l'intérêt d'un baie vitrée fumée en été ?!

On pourrait imaginer par contre une généralisation sur les fenêtres de toit type Vélux, avec un store intérieur (blanc / réfléchissant côté extérieur) le rendement serait encore probablement meilleur, et le système aurait l'avantage d'atténuer un peu la chaleur quand on oublie de fermer les stores en cas de grand soleil.

Tout ça reste assez théorique, en hiver l'effet risque d'être inverse avec la lumière les vitres vont se teinter affaiblissement l'éclairage intérieur, poussant probablement à allumer les lampes plus tôt, conso qui ne sera pas probablement couverte par la production d'énergie.

Avatar de gathor Équipe
Avatar de gathorgathor- 12/06/20 à 07:26:53

Attention sur la production, comme l’explique le chercheur : « En général les rendements diminuent lorsque la taille des cellules augmente » ;)

Avatar de ThomasBrz Abonné
Avatar de ThomasBrzThomasBrz- 12/06/20 à 07:38:02

Enfin, ce sont surtout les gens qui sont bêtes. Il ne me semble pas que la rt2012 force les baies vitrés plein sud... Cependant les archis, agent immobilier etc... Oui, car pour eux c'est un argument de vente^^ Il ne faut pas confondre les normes et la manière de les interpréter... On rencontre le même problème avec les VMC, les gens éteignent les VMC pour "économiser" et ils oublient d'aérer et paf "la moisissure apparait.

Avatar de Furanku Abonné
Avatar de FurankuFuranku- 12/06/20 à 07:38:40

fofo9012 a écrit :

Tout ça reste assez théorique, en hiver l'effet risque d'être inverse avec la lumière les vitres vont se teinter affaiblissement l'éclairage intérieur, poussant probablement à allumer les lampes plus tôt, conso qui ne sera pas probablement couverte par la production d'énergie.

Il sera possible avec un peu de travail de régler les niveaux d’assombrissement pour que ces cellules présentent une transmission de la lumière « minimale » en toute circonstance.

On peut donc imaginer qu'à terme cela sera pilotable par l'utilisateur, pour éviter un trop fort assombrissement :)

Avatar de js2082 INpactien
Avatar de js2082js2082- 12/06/20 à 07:54:14

Intéressant, si le rendement est amélioré, il pourrait équiper bon nombre de vitrines de magasins et bureaux.

Par contre, un petit (gros) détail attire mon attention:

"nous avons sur ce sujet mis en place un programme de recherche financé sur 5 ans, grâce à une bourse ERC (European Research Council)"

Donc si je comprends bien, le CEA fonctionne de la même manière que les universités: il exploite des doctorants pendant 3-5 ans pour faire les recherches et le soi-disant "directeur de recherches" (souvent un clampin qui  regarde par dessus ton épaule une fois tous les mois et se contente de mettre les pieds sous la table) s'approprie le travail de ces doctorants en leur faisant du chantage à la bourse ou non-validation de doctorat, ces derniers n'ayant aucune reconnaissance du travail fourni.

 Bref, le beau et détestable système de recherche française qui fait fuir de nombreux chercheurs à l'étranger.

J'aimerai bien féliciter le CEA mais je ne peux clairement pas valider ce type de politique de recherches pourri qui dévalorise et nie les vrais chercheurs.

Édité par js2082 le 12/06/2020 à 07:55
Avatar de deathscythe0666 Abonné
Avatar de deathscythe0666deathscythe0666- 12/06/20 à 07:55:32

Il n'y aura pas 93W pour une baie vitrée, elle ne sera jamais perpendiculaire au rayonnement, donc elle aura un rendement bien inférieur. Sur des vélux, il y a plus de chance d'approcher un bon rendement, même si, comme le rappelle gathor, c'est pas dit que le rendement reste aussi élevé avec des cellules plus grandes.

Avatar de deathscythe0666 Abonné
Avatar de deathscythe0666deathscythe0666- 12/06/20 à 08:03:29

Mouais, le système des bourses de recherche sur projet, c'est la base du système américain, pourtant un certain nombre de personnes qui fuient le système français vont aux USA. Donc ça doit pas être tout à fait ça le problème. Aux USA, seuls les profs (équivalent de nos PU) sont titulaires, tous les autres (MCF compris) sont des contractuels qui doivent produire des résultats sous peine de dégager. Ce qui est surtout écoeurant dans le système français, c'est les cohortes de MCF et PU plus ou moins âgés, qui ont été recrutés avec des dossiers anémiques à une époque où avoir un poste était facile, et qui écrasent aujourd'hui les nouveaux entrants avec des exigences de qualité et de quantité qu'eux même n'ont jamais été capables de fournir, tout en ne fournissant absolument aucun support scientifique à leurs doctorants.

Ce qui fait fuir pas mal de jeunes chercheurs, c'est le manque de postes (c'est comme ça un peu partout aussi) et le fait que, contrairement à la majorité des autres pays, le docteur est encore assez mal vu par les recruteurs des entreprises, donc il n'y a pas de point de chute hors de l'université.

Avatar de js2082 INpactien
Avatar de js2082js2082- 12/06/20 à 08:06:56

Je précise, ce n'est pas du french bashing mais une réalité propre à l'université française pour laquelle le peu de postes disponibles et de financements a conduit les chercheurs à accepter des conditions de travail peu acceptables.
Cela associé à des directeurs qui n'hésitent pas à abuser de leur position , on se retrouve dans des situations surréalistes où un directeur publie et signe dans l'année plus de 100 papiers de recherches pour s'en attribuer les mérites :reflechis:.

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