Une fenêtre solaire créée par des scientifiques de l’université d’État du Michigan à East Lansing a atteint un rendement de 5% en utilisant des cellules photovoltaïques organiques.
RICHARD LUNT/MICHIGAN STATE UNIVERSITY
Lance Wheeler regarde les gratte-ciel vitrés et voit un potentiel inexploité. Les maisons et les immeubles de bureaux, dit-il, représentent 75 % de la consommation d’électricité aux États-Unis, et 40 % de sa consommation énergétique globale. Les fenêtres, parce qu’elles laissent échapper de l’énergie, sont une grande partie du problème. « Tout ce que nous pouvons faire pour atténuer cela aura un impact très important », déclare Wheeler, expert en énergie solaire au National Renewable Energy Laboratory de Golden, dans le Colorado.
Une série de résultats récents pointe vers une solution, dit-il : Transformer les fenêtres en panneaux solaires. Dans le passé, les spécialistes des matériaux ont intégré des films absorbant la lumière dans le verre des fenêtres. Mais ces fenêtres solaires ont tendance à avoir une teinte rougeâtre ou brune que les architectes trouvent peu attrayante. Les nouvelles technologies de fenêtres solaires, en revanche, absorbent presque exclusivement les rayons ultraviolets (UV) ou infrarouges invisibles. Le verre reste donc transparent tout en bloquant les rayons UV et infrarouges qui le traversent normalement, apportant parfois une chaleur indésirable. En réduisant le gain de chaleur tout en produisant de l’énergie, les fenêtres « ont d’énormes perspectives », dit Wheeler, y compris la possibilité qu’un grand immeuble de bureaux puisse s’alimenter en électricité.
La plupart des cellules solaires, comme les cellules standard en silicium cristallin qui dominent l’industrie, sacrifient la transparence pour maximiser leur efficacité, le pourcentage de l’énergie de la lumière du soleil converti en électricité. Les meilleures cellules au silicium ont un rendement de 25 %. Parallèlement, une nouvelle catégorie de matériaux opaques pour les cellules solaires, appelés pérovskites, se rapproche du silicium avec des rendements supérieurs de 22 %. Non seulement les pérovskites sont moins chères que le silicium, mais elles peuvent également être réglées pour absorber des fréquences spécifiques de lumière en modifiant leur recette chimique.
Cette semaine dans Joule, une équipe dirigée par Richard Lunt, un ingénieur chimiste de l’Université d’État du Michigan à East Lansing, rapporte qu’elle a réglé les matériaux pour développer une fenêtre solaire en pérovskite absorbant les UV avec une efficacité de 0,5%. Bien que ce rendement soit inférieur à celui des meilleures cellules de pérovskite, M. Lunt estime qu’il est suffisamment élevé pour alimenter une autre technologie de fenêtre : un verre obscurcissant à la demande qui arrête la lumière intense dans la chaleur de la journée, réduisant ainsi le besoin de climatisation d’un bâtiment. M. Lunt pense que son équipe dispose d’une voie claire pour atteindre des rendements de 4 % au cours des prochaines années. À ce rythme, les cellules pourraient alimenter une partie de l’éclairage et de la climatisation du bâtiment.
À l’autre extrémité du spectre se trouve la lumière infrarouge, qui frappe la surface de la Terre plus intensément que la lumière UV et peut donc générer plus d’électricité. L’année dernière, dans Nature Energy, l’équipe de Lunt a indiqué qu’elle avait fabriqué des cellules transparentes, absorbant les UV et les infrarouges, avec des rendements de 5%, en utilisant des photovoltaïques « organiques » – des films minces sandwichs de semi-conducteurs organiques et de métaux. Selon Lunt, les futurs systèmes qui accouplent des pérovskites capturant les UV à des organiques capturant les infrarouges pourraient atteindre des efficacités de 20%, tout en restant presque entièrement transparents.
Une troisième approche des fenêtres solaires transparentes repose sur des concentrateurs solaires dits luminescents. Dans ces fenêtres, les points quantiques, qui sont de minuscules particules semi-conductrices, absorbent la lumière aux fréquences UV et infrarouge et la réémettent aux longueurs d’onde que les cellules solaires traditionnelles capturent. La lumière réémise est concentrée et déviée latéralement, à travers le verre, vers des bandes de cellules solaires intégrées dans le cadre de la fenêtre. Comme les points quantiques sont peu coûteux à fabriquer et que seule une petite quantité de matériau de cellule solaire est nécessaire pour capter la lumière réémise, ces fenêtres solaires promettent d’être peu coûteuses. En outre, les cellules solaires fonctionnent mieux sous une lumière intense et concentrée. Ces fenêtres ont déjà atteint des rendements de 3,1%, ont rapporté Victor Klimov, chimiste au Los Alamos National Laboratory au Nouveau-Mexique, et ses collègues dans Nature Photonics en janvier.
Ne comptez pas encore les fenêtres semi-transparentes, dit Michael McGehee, expert en fenêtres solaires et en pérovskites à l’Université Stanford à Palo Alto, en Californie. L’année dernière, par exemple, le ministère américain de l’énergie a accordé 2,5 millions de dollars à la société Next Energy Technologies de Santa Barbara, en Californie, pour perfectionner ses fenêtres à cellules solaires organiques semi-transparentes. La société a atteint des rendements de 7 % avec des fenêtres qui absorbent la moitié de la lumière solaire incidente qui les frappe, lumière visible comprise. Cela les assombrit par rapport au verre clair, mais comme elles absorbent la lumière de tout le spectre plutôt que de fréquences spécifiques, elles ne prennent pas de teinte rougeâtre ou brunâtre disgracieuse. « Il s’avère qu’une fenêtre qui absorbe environ la moitié de la lumière sur l’ensemble du spectre visible est très belle », déclare McGehee, qui est également conseiller de la société.
Wheeler n’est pas sûr de la technologie qui finira par s’imposer. L’un des facteurs sera la toxicité : Le verre se casse, et de nombreuses technologies de fenêtres solaires contiennent une petite quantité de matériaux toxiques. Les technologies doivent également être suffisamment durables pour durer des décennies, comme l’exige l’industrie du bâtiment. Selon lui, on peut s’attendre à ce que les futurs bâtiments ne tirent pas toute leur énergie du réseau électrique. Ils en produiront également. « Les constructeurs doivent de toute façon installer des fenêtres », explique M. Wheeler. « Pourquoi ne pas profiter de ces fenêtres ? »