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L’équipe a atteint un rendement de 8,1 % et une transparence de 43,3 % avec une conception organique, ou à base de carbone, plutôt que du silicium conventionnel. Bien que les cellules aient une légère teinte verte, elles ressemblent beaucoup plus au gris des lunettes de soleil et des vitres d’automobiles.
« Les fenêtres, qui se trouvent sur la façade de chaque bâtiment, sont un emplacement idéal pour les cellules solaires organiques parce qu’elles offrent quelque chose que le silicium ne peut pas offrir, à savoir une combinaison de très haute efficacité et de très haute transparence visible », a déclaré Stephen Forrest, le Peter A. Franken Distinguished University Professor of Engineering et Paul G. Goebel Professor of Engineering, qui a dirigé les recherches.
Les bâtiments dotés de façades en verre sont généralement recouverts d’un revêtement qui réfléchit et absorbe une partie de la lumière, dans les parties visibles et infrarouges du spectre, afin de réduire la luminosité et le chauffage à l’intérieur du bâtiment. Plutôt que de rejeter cette énergie, des panneaux solaires transparents pourraient l’utiliser pour réduire les besoins en électricité du bâtiment. La transparence de certaines fenêtres existantes est similaire à la transparence des cellules solaires que le groupe de Forrest rapporte dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences.
« Le nouveau matériau que nous avons développé, et la structure du dispositif que nous avons construit, ont dû équilibrer de multiples compromis pour fournir une bonne absorption de la lumière du soleil, une tension élevée, un courant élevé, une faible résistance et une transparence de couleur neutre, tout cela en même temps », a déclaré Yongxi Li, un chercheur adjoint en génie électrique et en informatique.
Le nouveau matériau est une combinaison de molécules organiques conçues pour être transparentes dans le visible et absorbantes dans le proche infrarouge, une partie invisible du spectre qui représente une grande partie de l’énergie de la lumière solaire. En outre, les chercheurs ont développé des revêtements optiques pour stimuler à la fois la puissance générée par la lumière infrarouge et la transparence dans le domaine visible — deux qualités qui sont habituellement en concurrence l’une avec l’autre.
La version neutre en couleur du dispositif a été réalisée avec une électrode en oxyde d’indium et d’étain. Une électrode en argent a amélioré le rendement à 10,8%, avec une transparence de 45,8%. Cependant, la teinte légèrement verdâtre de cette version peut ne pas être acceptable dans certaines applications de fenêtres.
Les cellules solaires transparentes sont mesurées par leur efficacité d’utilisation de la lumière, qui décrit la quantité d’énergie de la lumière frappant la fenêtre qui est disponible soit sous forme d’électricité, soit sous forme de lumière transmise du côté intérieur. Les cellules solaires transparentes précédentes ont des efficacités d’utilisation de la lumière d’environ 2 à 3 %, mais la cellule à l’oxyde d’indium et d’étain est évaluée à 3,5 % et la version en argent a une efficacité d’utilisation de la lumière de 5 %.
Les deux versions peuvent être fabriquées à grande échelle, en utilisant des matériaux qui sont moins toxiques que les autres cellules solaires transparentes. Les cellules solaires organiques transparentes peuvent également être adaptées aux latitudes locales, en tirant parti du fait qu’elles sont plus efficaces lorsque les rayons du soleil les frappent à un angle perpendiculaire. Elles peuvent être placées entre les vitres des fenêtres à double vitrage..
Forrest et son équipe travaillent sur plusieurs améliorations de la technologie, le prochain objectif étant d’atteindre une efficacité d’utilisation de la lumière de 7% et d’étendre la durée de vie de la cellule à environ 10 ans. Ils étudient également les aspects économiques de l’installation de fenêtres à cellules solaires transparentes dans les bâtiments neufs et existants.
La recherche est publiée dans les Actes de l’Académie nationale des sciences dans l’article « Color-Neutral, Semitransparent Organic Photovoltaics », par Forrest, Li et ses collègues Xia Guo, Zhengxing Peng, Boning Qu, Hongping Yan, Harald Ade et Maojie Zhang. L’équipe comprend des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord, de l’Université de Soochow en Chine et du SLAC National Accelerator Laboratory.
Ce matériel est basé sur des travaux soutenus par le Bureau des technologies de l’énergie solaire du ministère américain de l’Énergie, ainsi que par l’Office of Naval Research et Universal Display Corporation.
Forrest est également professeur de génie électrique et d’informatique, de science et d’ingénierie des matériaux, et de physique.