PV organique semi-transparent
une alternative prometteuse pour l’agrivoltaïsme
L’agrivoltaïsme permet de concilier production agricole et conversion d’énergie solaire sur une même surface. Nos équipes travaillent à développer des cellules et mini-modules photovoltaïques organiques semi-transparents fabriqués entièrement par voie liquide. Ceux-ci laissent passer une partie du rayonnement utile pour la photosynthèse des plantes tout en produisant de l’électricité.
Par Camille Frouin (XLIM/CINaM) et Parwaz Asif (XLIM), doctorants du projet SMART4MODULE, encadrés par Johann Bouclé (XLIM), Olivier Margeat (CINaM) et Sylvain Vedraine (XLIM)
Et si les mêmes mètres carrés de terre servaient à la fois à faire pousser des tomates et à produire de l’électricité renouvelable ? C’est l’enjeu de l’agrivoltaïsme (ou Agri-PV), une approche qui combine agriculture et photovoltaïque sur une même parcelle.
Le concept d’Agri-PV connaît une croissance spectaculaire : de 5 MW de capacité installée en 2012 à 18.4 GW en 2024. Cependant les installations actuelles reposent majoritairement sur des modules photovoltaïques en silicium opaques, disposés en rangées avec des espacements importants pour ne pas priver les cultures de lumière. Cette contrainte limite le potentiel de la surface disponible, ne permettant pas de couvrir à 100 % la parcelle agricole.
La technologie OPV (organic photovoltaic) quant à elle, permet l’obtention de dispositifs semi-transparents par le choix des matériaux qui la composent. Cette technologie présente des performances en constante évolution, un poids spécifique réduit, une durée de retour énergétique limitée et une flexibilité importante. Ainsi, même si d’autres technologies photovoltaïques semi-transparentes peuvent être pertinentes pour l’application, l’OPV apparait comme une alternative particulièrement intéressante par rapport au cahier des charges de l’Agri-PV.
© Energy 4 Climate – SIRTA
Le photovoltaïque organique
Le photovoltaïque organique (OPV) repose sur des semi-conducteurs à base de molécules carbonées, polymères conjugués et petites molécules, capables de convertir la lumière en électricité.
Contrairement au silicium, les matériaux organiques sont déposés en couches minces par des techniques d’impression compatibles avec des substrats flexibles et des solvants verts. L’intérêt majeur de l’OPV pour l’agrivoltaïsme réside dans la possibilité d’exploiter le concept de « sélectivité spectrale ». En effet la sélection des matériaux qui composent l’architecture (couche active, électrodes transparentes, interfaces) est cruciale car ils doivent absorber une partie du rayonnement solaire pour la conversion énergétique, et laisser passer le rayonnement photosynthétiquement actif afin que cette lumière atteigne la plante.
Innover des cellules aux électrodes
C’est dans ce contexte que s’inscrit la collaboration de quatre laboratoires partenaires au sein du projet SMART4MODULE :
- Le XLIM (Limoges) prend en charge le développement des cellules OPV et des électrodes transparentes innovantes.
- Le CINaM et l’IM2NP (Marseille) apportent respectivement leur savoir-faire en technologies d’impression grande surface et en modélisation optique des architectures.
- Le LAPLACE (Toulouse) se consacre à la définition des facteurs de caractérisation pour l’application de l’Agri-PV.
Ces laboratoires exploitent ainsi une couche active à base du mélange PM6:Y12. Ce sont ces matériaux qui assurent la conversion d’énergie lumineuse en énergie électrique tout en répondant au critère de sélectivité spectrale. En effet Y12 absorbe majoritairement dans le proche infrarouge, restant relativement transparent aux longueurs d’ondes nécessaires à la croissance des plantes. De même, le polymère PM6 absorbe majoritairement autour de 580nm, correspondant au minimum d’absorption du rayonnement photosynthétiquement actif (ou PAR). La couche active PM6:Y12 est donc tout à fait complémentaire de l’absorption de systèmes photosynthétiques comme la chlorophylle-a (figure 2), et permet d’assurer à la fois une conversion d’énergie et un transmission de la lumière pour la croissance des plantes.
Les électrodes d’une cellule photovoltaïque organique semi-transparente sont également des couches cruciales : elles doivent extraire efficacement les charges photo-générées et laisser passer la lumière qui n’est pas absorbée par la couche active. Ce double impératif constitue un verrou technologiques majeurs de l’OPV semi-transparent, notamment pour l’agrivoltaïsme. Afin d’établir des dispositifs de référence reproductibles nous avons fait le choix d’une électrode d’argent évaporé thermiquement de 20nm d’épaisseur. Dans ces conditions, le film d’argent reste conducteur et laisse passer une fraction significative de la lumière.
Cette première approche a permis de réaliser un mini-module semi-transparent référence ayant un rendement de conversion énergétique de 6.9%, pour une surface active de 20cm2 (surface comprenant les cellules seulement). En prenant en compte la surface totale du mini-module, incluant les cellules photovoltaïques ainsi que les bandes transparentes d’interconnexion, ce mini-module transmet effectivement 25% du spectre utile aux plantes et fournit une puissance maximale de 140mW, pour donner un ordre de grandeur, un mètre carré de tels modules pourrait générer environ 40 W. Ces premiers résultats démontrent un premier mini-module semi-transparent référence adapté à l’Agri-PV.
Parvenir à de l’OPV 100% imprimable
L’évaporation thermique de l’électrode d’argent présente deux limites : d’une part, l’épaisseur minimale de percolation limite sa transmission, d’autre part, cette technique n’est pas compatible avec des technologies d’impression. Pour dépasser ces verrous, nous explorons une approche alternative basée sur les nanofils d’argent. Ces nanofils déposables par voie liquide forment un réseau conducteur et offrent une excellente conductivité ainsi qu’une transparence élevée (85% à 550nm).
Les prochaines étapes consistent à optimiser les paramètres de dépôt, l’objectif étant de démontrer un gain significatif en transmission (visant une transmission effective du spectre utile aux plantes supérieure à 30%) tout en maintenant des performances photovoltaïques comparables aux modules de référence. Cela ouvrirait ainsi la voie à des modules OPV entièrement imprimables pour l’agrivoltaïsme.
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