Films cellulosiques biosourcés
pour le photovoltaïque flexible
Face à l’usage encore majoritaire de films pétrosourcés pour la protection des modules photovoltaïques flexibles, le projet BioFlexPV explore une alternative biosourcée à base de cellulose modifiée. Menés par le LCPO et l’IMS, ces travaux conduisent à des films transparents, hydrophobes et flexibles, préparés selon un procédé plus durable et transposable par extrusion réactive.
Par Mohamed Aouay, Thomas Vidil, Stéphane Grelier, Adèle Gapin, Eric Cloutet et Henri Cramail (LCPO), et Sylvain Chambon (IMS), membres du projet BioFlexPV.
Le développement du photovoltaïque flexible ouvre de nouvelles perspectives pour produire de l’énergie solaire sur des supports plus légers, plus fins et plus faciles à intégrer que les modules classiques. Ces nouvelles architectures peuvent trouver des applications sur des surfaces où les panneaux conventionnels sont difficiles à installer : bâtiments à faible portance, objets nomades, dispositifs souples ou surfaces courbes. Mais cette flexibilité impose aussi de nouveaux défis. Les cellules solaires doivent être protégées de l’humidité, de l’oxygène et des contraintes mécaniques, tout en conservant une bonne transmission de la lumière. Les films barrières (ou films de protection en face avant) jouent donc un rôle clé dans la durée de vie des modules. Aujourd’hui, ces films sont encore majoritairement issus de ressources pétrosourcées. Leur remplacement par des matériaux plus durables constitue un enjeu important pour réduire l’impact environnemental des futures générations de modules photovoltaïques.
Dans les modules photovoltaïques flexibles, les films de protection situés sur la face avant des panneaux jouent un rôle essentiel : ils doivent préserver les cellules de l’humidité, de l’oxygène et des contraintes mécaniques, tout en restant légers, transparents et souples. Aujourd’hui, une grande partie de ces films repose encore sur des matériaux issus de ressources non renouvelables. Dans le cadre du projet BioFlexPV, le consortium cherche à développer ces films de protection pour les faces avant à partir de matériaux biosourcés ou issus de ressources abondantes. Pour ce faire, des chercheurs du LCPO et de l’IMS développent de nouveaux films biosourcés à base de cellulose modifiée. L’objectif est de préparer des matériaux transparents, imperméables et flexibles, compatibles avec des procédés de mise en forme plus proches de l’échelle industrielle.
Dans ce contexte, le projet BioFlexPV vise à développer des solutions d’encapsulation plus légères, plus facilement démontables et à plus faible empreinte environnementale. Les matériaux biosourcés, et en particulier la cellulose, représentent une piste intéressante. Abondante, renouvelable et déjà largement étudiée, la cellulose possède un fort potentiel pour concevoir de nouveaux films fonctionnels comme support pour les films barrières en face avant. Toutefois, sous sa forme native, elle reste trop hydrophile et difficile à mettre en forme pour répondre directement aux exigences des modules photovoltaïques.
Modifier la cellulose pour la rendre plus adaptée
L’un des objectifs de nos travaux est de transformer la cellulose en un matériau plus compatible avec les besoins du photovoltaïque flexible. Pour cela, nous avons développé une stratégie de modification chimique permettant de greffer de longues chaînes alkyles sur la cellulose. Le matériau obtenu, appelé cellulose laurate, combine plusieurs propriétés recherchées : il devient plus hydrophobe, plus flexible et peut être mis en forme de film transparent autosupporté.
Cette modification agit comme une forme de plastification interne : les chaînes greffées apportent de la mobilité au matériau sans devoir ajouter un plastifiant externe.
Ce point est important, car les additifs peuvent parfois migrer dans le temps et affecter la stabilité du matériau. Ici, la flexibilité est directement introduite dans la structure de la cellulose modifiée.
Les premiers films obtenus présentent une bonne transparence, une surface hydrophobe et une meilleure aptitude à la déformation que la cellulose non modifiée. Ces propriétés constituent une première étape vers des supports biosourcés capables d’entrer dans la composition de films barrières en face avant pour modules photovoltaïques flexibles.
C’est la réduction de l’impact global du procédé en extrusion réactive que souligne une première évaluation par l’outil DOZN™, par rapport à l’approche en batch.
Un procédé plus durable et plus évolutif
Au-delà des propriétés du matériau, un autre enjeu majeur concerne le procédé de fabrication. Les modifications chimiques de la cellulose sont souvent réalisées en solution, dans des conditions diluées, avec des temps de réaction longs. Ces approches sont utiles pour comprendre et optimiser la chimie, mais elles restent difficiles à transposer à grande échelle.
L’objectif n’est pas seulement de remplacer un matériau par un autre, mais de repenser l’ensemble de la chaîne.
Pour répondre à cette limite, nous avons transféré la réaction vers un procédé d’extrusion réactive. Cette approche permet de combiner la transformation chimique et le mélange mécanique dans un procédé continu, plus proche des outils utilisés industriellement dans le domaine des polymères. L’un des résultats importants de ce travail est la possibilité de travailler à haute teneur en cellulose, jusqu’à 60 % massique par rapport au solvant, tout en conservant des propriétés proches de celles obtenues en solution.2
© CEA INES / Asca
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