Légende : Les cellules solaires à couche mince pèsent environ 100 fois moins que les cellules solaires classiques tout en générant environ 18 fois plus d’énergie par kilogramme.
Des chercheurs du MIT ont mis au point une technique de fabrication évolutive pour produire des cellules solaires ultrafines et légères qui peuvent être ajoutées sans problème à n’importe quelle surface.
Ces cellules solaires durables et flexibles, bien plus fines qu’un cheveu humain, sont collées sur un tissu solide et léger, ce qui permet de les installer facilement sur une surface fixe. Elles peuvent fournir de l’énergie lors de déplacements, sous la forme d’un tissu électrique portable, ou être transportées et déployées rapidement dans des endroits reculés pour apporter une aide en cas d’urgence. Ils pèsent un centième du poids des panneaux solaires classiques, génèrent 18 fois plus d’énergie par kilogramme et sont fabriqués à partir d’encres semi-conductrices à l’aide de procédés d’impression qui pourront être adaptés à l’avenir à la fabrication de grandes surfaces.
Grâce à leur finesse et à leur légèreté, ces cellules solaires peuvent être laminées sur de nombreuses surfaces différentes. Par exemple, elles pourraient être intégrées aux voiles d’un bateau pour fournir de l’énergie en mer, collées sur des tentes et des bâches déployées lors d’opérations de secours en cas de catastrophe, ou appliquées sur les ailes de drones pour étendre leur rayon d’action. Cette technologie solaire légère peut être facilement intégrée dans des environnements construits avec des besoins d’installation minimaux.
« Les paramètres utilisés pour évaluer une nouvelle technologie de cellules solaires se limitent généralement à leur efficacité de conversion de puissance et à leur coût en dollars par watt. L’intégrabilité – la facilité avec laquelle la nouvelle technologie peut être adaptée – est tout aussi importante. Les tissus solaires légers permettent cette intégrabilité, ce qui a donné l’impulsion aux travaux actuels. Nous nous efforçons d’accélérer l’adoption de l’énergie solaire, compte tenu de l’urgence actuelle de déployer de nouvelles sources d’énergie sans carbone », déclare Vladimir Bulović, titulaire de la chaire Fariborz Maseeh sur les technologies émergentes, directeur du laboratoire d’électronique organique et nanostructurée (ONE Lab), directeur de MIT.nano et auteur principal d’un nouvel article décrivant ces travaux.
Les coauteurs de l’article sont Mayuran Saravanapavanantham, étudiant diplômé en génie électrique et en informatique au MIT, et Jeremiah Mwaura, chercheur au laboratoire de recherche en électronique du MIT. La recherche est publiée aujourd’hui dans Small Methods.
Des cellules solaires plus fines
Les cellules solaires traditionnelles en silicium sont fragiles, elles doivent donc être encastrées dans du verre et emballées dans un cadre en aluminium lourd et épais, ce qui limite leur déploiement.
Il y a six ans, l’équipe de ONE Lab a produit des cellules solaires à l’aide d’une nouvelle catégorie de matériaux à couches minces, si légères qu’elles pouvaient tenir sur une bulle de savon. Mais ces cellules solaires ultra-minces étaient fabriquées à l’aide de procédés complexes sous vide, qui peuvent être coûteux et difficiles à mettre à l’échelle.
Dans ce travail, ils ont entrepris de développer des cellules solaires à couche mince entièrement imprimables, en utilisant des matériaux à base d’encre et des techniques de fabrication évolutives.
Pour produire ces cellules solaires, ils utilisent des nanomatériaux qui se présentent sous la forme d’encres électroniques imprimables. Travaillant dans la salle blanche du MIT.nano, ils recouvrent la structure de la cellule solaire à l’aide d’une coucheuse à fente, qui dépose des couches de matériaux électroniques sur un substrat préparé et détachable de seulement 3 microns d’épaisseur. En utilisant la sérigraphie (une technique similaire à celle utilisée pour ajouter des motifs aux T-shirts sérigraphiés), une électrode est déposée sur la structure pour compléter le module solaire.
Les chercheurs peuvent ensuite décoller le module imprimé, d’une épaisseur d’environ 15 microns, du substrat en plastique, formant ainsi un dispositif solaire ultraléger.
Mais ces modules solaires minces et autoportants sont difficiles à manipuler et peuvent facilement se déchirer, ce qui rendrait leur déploiement difficile. Pour résoudre ce problème, l’équipe du MIT a cherché un substrat léger, flexible et très résistant sur lequel elle pourrait coller les cellules solaires. Les tissus ont été identifiés comme la solution optimale, car ils offrent une résilience mécanique et une flexibilité pour un faible poids supplémentaire.
Ils ont trouvé le matériau idéal – un tissu composite qui ne pèse que 13 grammes par mètre carré, commercialement connu sous le nom de Dyneema. Ce tissu est composé de fibres si résistantes qu’elles ont été utilisées comme cordes pour sortir le paquebot de croisière Costa Concordia du fond de la Méditerranée. En ajoutant une couche de colle durcissant aux UV, d’une épaisseur de quelques microns seulement, ils font adhérer les modules solaires à des feuilles de ce tissu. Cela forme une structure solaire ultralégère et mécaniquement robuste.
« Bien qu’il puisse sembler plus simple d’imprimer les cellules solaires directement sur le tissu, cela limiterait la sélection des tissus ou autres surfaces réceptrices possibles à ceux qui sont chimiquement et thermiquement compatibles avec toutes les étapes de traitement nécessaires à la fabrication des dispositifs. Notre approche dissocie la fabrication des cellules solaires de leur intégration finale », explique M. Saravanapavanantham.
Des cellules solaires plus performantes que les traditionnelles
Lorsqu’ils ont testé le dispositif, les chercheurs du MIT ont constaté qu’il pouvait générer 730 watts d’énergie par kilogramme lorsqu’il était autonome et environ 370 watts par kilogramme s’il était déployé sur un tissu Dyneema très résistant, soit environ 18 fois plus d’énergie par kilogramme que les cellules solaires classiques.
« Une installation solaire typique sur un toit dans le Massachusetts représente environ 8 000 watts. Pour produire la même quantité d’énergie, nos cellules photovoltaïques en tissu n’ajouteraient qu’environ 20 kilogrammes au toit d’une maison », explique-t-il.
Ils ont également testé la durabilité de leurs dispositifs et ont constaté que, même après avoir enroulé et déroulé un panneau solaire en tissu plus de 500 fois, les cellules conservaient plus de 90 % de leur capacité initiale de production d’énergie.
Bien que leurs cellules solaires soient beaucoup plus légères et plus flexibles que les cellules traditionnelles, elles devraient être enveloppées dans un autre matériau pour les protéger de l’environnement. Le matériau organique à base de carbone utilisé pour fabriquer les cellules pourrait être modifié en interagissant avec l’humidité et l’oxygène de l’air, ce qui pourrait détériorer leurs performances.
« Le fait d’enfermer ces cellules solaires dans du verre lourd, comme c’est le cas pour les cellules solaires traditionnelles au silicium, minimiserait la valeur de l’avancée actuelle. L’équipe développe donc actuellement des solutions d’emballage ultrafines qui n’augmenteraient que très peu le poids des dispositifs ultralégers actuels », explique Mwaura Saravanapavanantham
« Nous nous efforçons d’éliminer autant de matériaux non solaires que possible tout en conservant le facteur de forme et les performances de ces structures solaires ultralégères et flexibles. Par exemple, nous savons que le processus de fabrication peut être simplifié en imprimant les substrats détachables, comme nous le faisons pour les autres couches de notre dispositif. Cela permettrait d’accélérer la mise sur le marché de cette technologie », ajoute-t-il.
Cette recherche est financée, en partie, par Eni S.p.A. par le biais de l’initiative énergétique du MIT, la National Science Foundation des États-Unis et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.
https://news.mit.edu/2022/ultrathin-solar-cells-1209
https://doi.org/10.1002/smtd.202200940
https://news.mit.edu/2016/ultrathin-flexible-solar-cells-0226
