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04 juillet 2016 | La Revue POLYTECHNIQUE 04/2016 | Photovoltaïque

Une percée technologique dans le domaine photovoltaïque

Avec l’achèvement du projet UE TREASORES qui a duré trois ans, une équipe de chercheurs européens a mis au point des modules lumineux flexibles qui peuvent être produits selon un procédé d’impression rotatif, à la manière des journaux. Cette technique jette les bases pour la mise sur le marché des panneaux lumineux LED et des cellules solaires de l’avenir. Ce projet a réuni le savoir faire de neufs entreprises et de six instituts de recherche de cinq pays européens. Sa coordination a été assurée par le chercheur de l’Empa Frank Nüesch.
Le projet UE TREASORES (Transparent Electrodes for Large Area Large Scale Production of Organic Optoelectronic Devices) a été lancé en novembre 2012, dans le but de réduire notablement les coûts de production des composants organiques, tels que ceux utilisés pour les cellules solaires et les panneaux LED. Il a été financé à hauteur de 9 millions d’euros par l’Union européenne et de 6 millions supplémentaires par les moyens propres de ses différents partenaires. Ce projet a débouché sur sept brevets, une douzaine de publications scientifiques, ainsi que sur des contributions importantes pour les organisations internationales de normalisation.
 
Une source lumineuse flexible en LED organiques (OLED) développée dans le projet TREASORES. Des électrodes flexibles et des couches barrières imperméables à l’air sont les éléments clés de cette technologie. Cette feuille lumineuse a été produite au Fraunhofer-Institut FEP à Dresde par un procédé roll-to-roll peu coûteux. (Photo: Fraunhofer FEP)

 

Des électrodes flexibles et des feuilles barrières d’un type nouveau
Le développement de procédés de production pour différents types d’électrodes transparentes et de matériaux barrières pour la prochaine génération de l’optoélectronique qui, dans une deuxième étape, ont été mis à l’échelle pour une production industrielle, a été le résultat le plus important de ce projet.
Trois de ces électrodes compatibles avec des substrats flexibles – utilisant soit des nanotubes de carbone, des fibres métalliques ou encore de minces couches d’argent – sont déjà produites commercialement ou seront lancées sur le marché cette année encore. Les sources lumineuses et les cellules solaires de la prochaine génération seront produites par des procédés roll-to-roll, pour lesquels ces nouvelles électrodes sont particulièrement bien adaptées. Un rouleau de sources lumineuses OLED reproduisant le sigle du projet a été produit par le Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl und Plasmatechnik (FEP) à Dresde, avec les minces électrodes d’argent développées par l’entreprise Rowo Coating GmbH.
 
Des sources lumineuses flexibles, esthétiques et bon marché
Ces électrodes permettront à l’avenir de réduire considérablement le coût des sources lumineuses et des cellules solaires, mais elles ont besoin de barrières elles aussi flexibles et transparentes, qui ont également été développées dans le projet TRASORES. Les électrodes de ce projet sont déjà aussi performantes et transparentes que celles de la technologie actuelle, à base d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO); elles leur sont même parfois supérieures. Elles peuvent être produites à des coûts moindres et ne nécessitent pas d’indium, dont la pénurie va bientôt se faire ressentir.
Tomasz Wanski du Fraunhofer-Institut FEP, confirme que ces nouvelles électrodes permettent de réaliser, y compris sur de grandes surfaces, des sources lumineuses extraordinairement homogènes, d’une efficacité atteignant 25 lm/W – soit aussi bonne que celle de composants équivalents produits selon la technologie OLED actuelle, qui utilise un procédé plus lent, feuille par feuille. Dans le cadre de ce projet, le National Physical Laboratory en Grande-Bretagne a développé une nouvelle méthode d’essai pour tester la résistance à la flexion des électrodes – un essai qui pourrait conduire à l’établissement d’une nouvelle norme dans ce domaine.
 
Des électrodes flexibles en textiles électro-conducteurs produites selon un procédé roll to roll peu coûteux ont été développées dans ce projet. Ces électrodes sont d’une grande transparence dans le domaine de la lumière visible et de l’infrarouge. Elles se caractérisent par leur faible résistance électrique. (Photo: Sefar AG)
 

Des feuilles spéciales pour protéger l’électronique de l’oxygène
La production, l’essai et la mise à l’échelle de la production industrielle de nouvelles feuilles barrières transparentes – des feuilles de polymère qui empêchent l’oxygène et la vapeur d’eau de pénétrer dans les composants organiques et de les détruire – est un autre succès obtenu dans le cadre de ce projet.
Les chercheurs sont parvenus à produire des barrières efficaces et bon marché, que l’entreprise suisse Amcor Flexibles ­Kreuzlingen AG va encore perfectionner pour les commercialiser. Ces barrières imperméables sont essentielles pour atteindre une longue durée de vie des cellules solaires et des sources lumineuses organiques. Comme l’a confirmé une analyse de cycle de vie réalisée dans ce projet, les cellules solaires ne sont commercialement rentables et écologiquement acceptables que si leur rendement et leur durée de vie sont suffisamment élevés. Au lieu d’utiliser deux substrats polymères différents, la production simultanée des barrières et des électrodes permet de réduire les coûts de fabrication et de rendre les composants encore plus minces et flexibles.
Le grand défi du projet consistait à obtenir des substrats pour les barrières et les électrodes d’une planéité, d’un lissé et d’une propreté extrêmes. Les couches actives des composants ont une épaisseur de quelques centaines de nanomètres seulement – soit moins de 1 % du diamètre d’un cheveux – et la présence de petits défauts de surface ou de particules de poussière invisibles peut réduire l’efficience des composants ou conduire à des surfaces lumineuses hétérogènes et à une diminution de leur durée de vie.
 
Des cellules solaires issues du projet TREASORES en cours de montage en 2013, pour des essais de longue durée dans des conditions extrêmes en Uganda. (Photo: Eight19 Ltd)

 

Le savoir faire de quinze partenaires de cinq pays européens
Le projet TREASORES a rassemblé le savoir faire de neuf entreprises et de six instituts de technologie de cinq pays d’Europe. Il était placé sous la direction de Frank Nüesch, du Laboratoire fédéral d’essai des matériaux et de recherche (Empa). «Je me réjouis de voir cette année déjà sur le marché, des produits commerciaux issus de ce projet», a-t-il déclaré. Michael Niggemann, directeur technique du fabricant de cellules solaires Eight19 à Cambridge, est lui aussi enthousiasmé: «Le projet TREASORES a été un succès, car il a fourni des contributions importantes en vue de la réduction des coûts de production de nos cellules solaires. Nous avons ainsi franchi une étape décisive vers la commercialisation de cellules solaires organiques qui reposent sur une technologie développée en Europe.»
Ce projet de recherche a bénéficié du soutien financier du septième programme cadre de recherche de l’Union européenne, sous le numéro de contrat 314068.
 
Empa
8600 Dübendorf
Tél.: 058 765 11 11
www.empa.ch