Les plastiques se font une place au soleil
Par énergies renouvelables, dites également vertes, il faut entendre les énergies fournies par la nature dont le renouvellement est rapide et inépuisable. Elles proviennent de phénomènes naturels et constants : les émissions de lumière par le Soleil (énergie solaire), la puissance du vent, des chutes d’eau et des marées (énergies éolienne et hydrolienne), la chaleur de la terre (géothermie) ou encore les transformations chimiques des végétaux (biomasse). Elles sont donc constituées de cinq familles, pas une de plus…
En Europe, pour la première fois en 2020, la part des énergies renouvelables dans la production d'électricité a dépassé celle des combustibles fossiles. Les énergies solaire, hydraulique et éolienne ont représenté 38% du mix énergétique global des pays de l’UE-27, contre 37% pour les énergies fossiles*.
* Sources : le think tank indépendant Ember spécialisé dans la transition énergétique.
Les polymères en connaissent un rayon
Transformer de la lumière en électricité est le principe de base de l’effet photovoltaïque. Ce phénomène physique est obtenu grâce à des matériaux dits semi-conducteurs qui, exposés à la lumière, produisent de l’électricité. Élément clé de ce dispositif, la cellule photovoltaïque se compose de deux couches d’un matériau semi-conducteur, comme le silicium, connectées entre elles par deux électrodes métalliques. Très schématiquement, en les percutant, la lumière solaire (les photons) excite les matériaux semi-conducteurs. Un flux d’électrons se déplace alors d’une couche vers l’autre via les électrodes en produisant au passage un courant électrique.
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Le silicium à base de sable et de quartz est encore le matériau le plus utilisé pour fabriquer des cellules photovoltaïques. Celles-ci sont placées en sandwich entre deux plaques de verre. Si cette technologie autorise des rendements énergétiques très convenables, elle reste onéreuse du fait du coût des matériaux, mais surtout parce que sa fabrication nécessite beaucoup d’énergie. |
Les panneaux photovoltaïques traditionnels ont encore les meilleurs rendements, mais c’est une technologie onéreuse et qui nécessite beaucoup d’énergie. |
Pour preuve, on estime qu’un module photovoltaïque de ce type doit fonctionner au minimum trois ans pour compenser ne serait-ce que l’énergie nécessaire à sa fabrication. C’est beaucoup, mais ces panneaux en verre sont encore fabriqués aujourd’hui car ils proposent les meilleurs rendements.
Depuis déjà plusieurs décennies, les fabricants de panneaux s’attellent donc à trouver des solutions pour minimiser les coûts, en cherchant notamment à remplacer le verre par des polymères. Au départ, ils se sont penchés sur l’éthylène-acétate de vinyle (EVA) pour encapsuler les cellules ainsi que sur le polyfluorure de vinylidène (PVDF) afin de concevoir les films de protection des panneaux. Depuis quelques années, le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) joue un rôle de plus en plus important ; hautement transparent, il permet de concentrer la lumière sur de minuscules cellules. Grâce à lui, la taille des cellules en silicium a été divisée par trois.
Préférer les polymères au verre pour concevoir les substrats (les parties qui encapsulent les cellules) a de nombreux atouts. Les panneaux solaires de ce type sont particulièrement légers et capables de flotter sur l’eau, offrant l’opportunité d’optimiser des surfaces comme les plans d’eau artificiels (bassins d’irrigation, réservoirs d’eau potable, étangs d’aquaculture, lacs de carrière…). Il existe ainsi des systèmes de panneaux flottants composés de flotteurs modulaires en PE-HD (polyéthylène haute densité), un matériau extrêmement résistant aux UV, à la corrosion et aux vents violents…
Parfaitement mature, cette technologie autorise de bons rendements et a ouvert la voie aux cellules dites en couches minces.
Voir nos articles sur le sujet :
Des stations solaires qui flottent sur l’eau
Un panneau dans la mare
La parfaite étanchéité des polymères ainsi que leur résistance et leur légèreté ont permis la conception de panneaux voltaïques flottants. L’idéal pour optimiser des plans d’eau inutilisés. |
Bain de soleil pour les plastiques
Les technologies « couches minces » permettent de s’affranchir du silicium. Elles consistent à déposer quelques microns d’autres matériaux semi-conducteurs, tel l’alliage de tellurure et de cadmium, à l’aide d’un laser sur un support peu onéreux, souple ou rigide et généralement en plastique. Cette technologie a ouvert un nouveau champ d’application à certains polymères, comme les polyimides ou les polymères fluorés, seuls capables de supporter les températures des traitements par laser. Son rendement reste faible, mais il est amplement suffisant pour alimenter des appareils électriques peu puissants. C’est elle qui est utilisée depuis longtemps dans les petites calculatrices par exemple.
La technologie des « couches minces » a permis aux polymères de faire leur entrée de façon fracassante dans les panneaux solaires. Plus légers, moins onéreux, ils sont de plus en plus fréquemment utilisés. |
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L’un, le polythiophène, est utilisé comme donneur d’électrons ; l’autre, de type fullerène, comme accepteur. Ces cellules sont encapsulées entre deux couches minces de métal qui font office d’électrodes, d’un film plastique protecteur et placées sur un substrat également en polymères.
Pour le moment, leurs performances énergétiques n’atteignent pas le niveau de leurs cousins en silicium. Leur stabilité n’est pas encore parfaite, et elles restent encore assez onéreuses malgré les progrès réalisés d’année en année.
L’un des enjeux est de simplifier les processus de production en utilisant des imprimantes 3D pour les fabriquer. Bien qu’encore expérimentale, c’est cette technologie qui a été retenue pour concevoir les arbres solaires du Pavillon allemand de l'Exposition universelle de Milan en 2015. Ces arbres étaient le premier système photovoltaïque organique à base de polymères entièrement intégré dans un élément architectural de mobilier urbain. Depuis, ils ont été réimplantés dans l’enceinte du laboratoire allemand Merck à Darmstadt. Certes, il reste des progrès à faire dans le domaine du 100% organique mais, urgence climatique oblige, les centres de recherche bénéficient désormais de fonds conséquents. L’objectif de voir se généraliser ces panneaux révolutionnaires dans la décennie n’est plus une utopie…
Enfin, des variantes sont envisagées. Grâce à l’utilisation de cellules hybrides, organiques et inorganiques comportant une couche centrale en pérovskite, un matériau minéral inorganique assez bon marché, le rendement énergétique des panneaux pourrait atteindre les 20% et rivaliser avec celui des cellules au silicium. Ce type de cellules voltaïques ultra-légères et probablement imprimables devrait, dans un futur assez proche, équiper le toit des véhicules électriques. Leur rôle ne sera pas d’alimenter le moteur, mais plutôt les accessoires comme le GPS ou la radio, voire la climatisation.
Les cellules photovoltaïques organiques, à base de polymères donc, ouvriront d’ici peu de nouvelles perspectives à l’énergie solaire, notamment dans le domaine de l’automobile et du transport en général. |
En 2019, au niveau mondial, la production d’électricité solaire photovoltaïque atteignait 724 TWh, soit 2,7% de la production mondiale d’électricité. L’Agence internationale de l’énergie estime qu’avec les installations existantes fin 2020, cette part est passée à 3,7% (6% en Europe) et prévoit qu’elle pourrait atteindre 16% en 2050.
Plastics le Mag fait régulièrement écho des avancées dans le domaine du photovoltaïque organique. Plus d’informations ci-dessous :
Des panneaux solaires qui fonctionnent sous la pluie
Des films solaires organiques sur le toit
Panneaux photovoltaïque d’un nouveau genre
Cellules solaires ultra fines en polymère
