GiPV : Photovoltaïque intégré au bâtiment avec modules solaires partiellement transparents – photovoltaïque intégré au bâtiment

Le photovoltaïque intégré au bâtiment - GiPV (Building-integrated photovoltaics - BIPV) sont des matériaux photovoltaïques qui remplacent les matériaux de construction conventionnels dans certaines parties de l'enveloppe du bâtiment telles que le toit, les lucarnes ou la façade. Ils sont de plus en plus intégrés dans la construction de nouveaux bâtiments comme source d’électricité principale ou secondaire, bien que les bâtiments existants puissent également être équipés d’une technologie similaire. L'avantage du photovoltaïque intégré par rapport aux systèmes non intégrés habituels est que les coûts initiaux peuvent être compensés en réduisant les dépenses en matériaux de construction et en main d'œuvre qui seraient normalement nécessaires pour construire la partie du bâtiment remplacée par les modules BIPV. De plus, le BIPV permet une adoption plus large des installations solaires lorsque l'esthétique du bâtiment est une préoccupation et que les panneaux solaires traditionnels montés en rack perturberaient l'apparence prévue du bâtiment.

Le terme BAPV (Building-Applied Photovoltaics) pour photovoltaïque intégré au bâtiment est parfois utilisé pour désigner les systèmes photovoltaïques qui sont ensuite intégrés dans le bâtiment. La plupart des systèmes intégrés au bâtiment sont en réalité des BAPV. Certains fabricants et constructeurs font la différence entre le BIPV et le BAPV pour les bâtiments neufs.

Les applications photovoltaïques pour les bâtiments sont apparues dans les années 1970. Des panneaux photovoltaïques à ossature d'aluminium étaient connectés ou montés sur des bâtiments, généralement situés dans des zones reculées sans accès à un réseau électrique. Dans les années 1980, les modules photovoltaïques ont commencé à être installés sur les toits. Ces systèmes photovoltaïques étaient généralement installés sur des bâtiments connectés au réseau électrique et situés dans des zones dotées de centrales électriques centralisées. Dans les années 1990, les produits de construction BIPV spécialement conçus pour être intégrés dans l’enveloppe du bâtiment sont devenus disponibles dans le commerce. Une thèse de doctorat de Patrina Eiffert datant de 1998, intitulée Une évaluation économique du BIPV, émettait l'hypothèse qu'il y aurait un jour une valeur économique à l'échange de crédits d'énergie renouvelable (CER). Une évaluation économique de 2011 et un bref examen de l'histoire du BIPV par le National Renewable Energy Laboratory des États-Unis suggèrent qu'il reste encore d'importants défis techniques à surmonter avant que les coûts d'installation du BIPV puissent rivaliser avec ceux des systèmes photovoltaïques. Cependant, il existe un consensus croissant selon lequel les systèmes BIPV, grâce à leur commercialisation à grande échelle, constitueront l'épine dorsale de l'objectif européen du bâtiment zéro énergie (ZEB) d'ici 2020. Malgré les possibilités techniques prometteuses, des obstacles sociaux à une utilisation généralisée ont également été identifiés, tels que la culture conservatrice du secteur de la construction et l'intégration dans un urbanisme à haute densité. Les auteurs soulignent que l’utilisation à long terme dépendra probablement autant de décisions politiques efficaces que du développement technique.

Les modules solaires partiellement transparents offrent une opportunité intéressante d’intégrer le photovoltaïque intégré au bâtiment (BIPV) dans l’architecture et l’urbanisme. Ce nouveau type de production d’énergie solaire représentera très probablement à l’avenir une part importante de la production d’électricité mondiale.

Le photovoltaïque intégré au bâtiment avec des modules solaires partiellement transparents constitue une option intéressante pour la construction de bâtiments économes en énergie. Cette technologie peut contribuer à réduire les coûts d’approvisionnement énergétique tout en améliorant l’extérieur du bâtiment.

De plus, des modules solaires semi-transparents peuvent être utilisés pour diriger la lumière du jour vers l’intérieur d’un bâtiment. Cela permet non seulement d'économiser de l'énergie, mais réduit également le coût de l'éclairage artificiel.

En résumé, on peut dire que le photovoltaïque intégré aux bâtiments est un type d’énergie renouvelable très efficace et polyvalent. Il a le potentiel d’améliorer durablement l’approvisionnement énergétique des bâtiments.

Modules solaires en silicium cristallin pour centrales électriques au sol et sur toit.

Modules photovoltaïques solaires à couches minces de silicium cristallin amorphe, qui peuvent être creux, clairs, rouges, bleus et jaunes, comme façade en verre et lucarne transparente.

Cellules à couches minces à base de CIGS (cuivre-indium-gallium-séléniure) sur des modules flexibles qui sont laminés sur l'élément de l'enveloppe du bâtiment, ou les cellules CIGS sont montées directement sur le substrat de l'enveloppe du bâtiment.

Panneaux solaires à double verre avec cellules carrées à l'intérieur.

Des toits plats

La solution la plus largement utilisée à ce jour est une cellule solaire amorphe à couche mince intégrée dans un module polymère flexible, qui est fixé avec un film adhésif entre le film arrière du module solaire et l'étanchéité du toit. Grâce à la technologie du séléniure de cuivre, d'indium et de gallium (CIGS), une entreprise américaine peut atteindre une efficacité cellulaire de 17 % pour les modules intégrés au bâtiment dans des membranes TPO monocouches.

Toits en pente

Les tuiles solaires sont des tuiles (en céramique) avec modules solaires intégrés. La tuile solaire en céramique a été développée et brevetée par une entreprise néerlandaise en 2013.

Modules en forme de plusieurs tuiles.

Les bardeaux solaires sont des panneaux qui ressemblent et fonctionnent comme des bardeaux ordinaires, mais contiennent une cellule flexible en couche mince.

Ils prolongent la durée de vie normale des toitures en protégeant l’isolation et les membranes des rayons UV et des dégâts des eaux. La condensation est également évitée puisque le point de rosée est maintenu au-dessus de la membrane du toit.

Les toits en pente métalliques (à la fois structurels et architecturaux) sont désormais équipés de capacités photovoltaïques, soit en collant un module flexible autonome, soit en scellant thermiquement et sous vide les cellules CIGS directement sur le substrat.

façade

Les façades peuvent être fixées sur des bâtiments existants et donner un tout nouveau look aux bâtiments anciens. Ces modules sont fixés à la façade du bâtiment sur la structure existante, ce qui peut augmenter l'attrait du bâtiment et sa valeur de revente.

vitrage

Les fenêtres photovoltaïques sont des modules (semi)transparents qui peuvent remplacer un certain nombre d'éléments architecturaux généralement en verre ou en matériaux similaires, tels que : B. Fenêtres et lucarnes. Non seulement ils génèrent de l’énergie électrique, mais ils peuvent également permettre des économies d’énergie supplémentaires grâce à leurs excellentes propriétés d’isolation thermique et de contrôle du rayonnement solaire.

Fenêtres en verre photovoltaïque : L'intégration des technologies de production d'énergie dans les bâtiments résidentiels et commerciaux a ouvert des domaines de recherche supplémentaires qui accordent une plus grande attention à l'esthétique globale du produit final. Si l'objectif reste d'atteindre un rendement élevé, les nouveaux développements dans le domaine des fenêtres photovoltaïques visent également à offrir aux consommateurs un niveau optimal de transparence du verre et/ou la possibilité de choisir parmi une gamme de couleurs. Des panneaux solaires de différentes couleurs peuvent être conçus pour absorber de manière optimale certaines plages de longueurs d’onde d’un spectre plus large. Le verre photovoltaïque coloré a été développé avec succès à l'aide de cellules solaires semi-transparentes, à base de pérovskite et sensibilisées par un colorant.

• Les cellules solaires plasmoniques, qui absorbent et réfléchissent la lumière colorée, ont été développées grâce à la technologie Fabry-Pérot-Etalon. Ces cellules sont constituées de « deux films métalliques réfléchissants parallèles et d’un film de cavité diélectrique entre eux ». Les deux électrodes sont en Ag et la cavité entre elles est en Sb2O3. La modification de l'épaisseur et de l'indice de réfraction de la cavité diélectrique modifie la longueur d'onde la mieux absorbée. Faire correspondre la couleur du verre de la couche d'absorption à la partie spécifique du spectre à laquelle l'épaisseur et l'indice de réfraction de la cellule sont le mieux adaptés améliore l'esthétique de la cellule en intensifiant sa couleur et en minimisant les pertes de photocourant. Pour les appareils à lumière rouge et bleue, une transmission de 34,7 % et 24,6 % a été obtenue respectivement. Les appareils bleus peuvent convertir 13,3 % de la lumière absorbée en électricité, ce qui en fait les plus efficaces de tous les appareils colorés développés et testés.
• La technologie des cellules solaires pérovskites peut être réglée sur le rouge, le vert et le bleu en modifiant l'épaisseur des nanofils métalliques à 8, 20 et 45 nm, respectivement. Des rendements énergétiques maximum de 10,12 %, 8,17 % et 7,72 % ont été obtenus en ajustant la réflectance du verre à la longueur d'onde pour laquelle chaque cellule est la mieux adaptée.
• Les cellules solaires à colorant utilisent des électrolytes liquides pour capter la lumière et la convertir en énergie utilisable ; cela se produit de la même manière que les pigments naturels permettent la photosynthèse chez les plantes. Alors que la chlorophylle est le pigment spécifique responsable de la couleur verte des feuilles, d'autres pigments naturels tels que les caroténoïdes et les anthocyanes produisent des variations de couleurs orange et violettes. Des chercheurs de l'Université de Concepcion ont démontré la viabilité de cellules solaires colorées sensibilisées aux colorants qui apparaissent et absorbent sélectivement certaines longueurs d'onde de lumière. Cette solution économique utilise des pigments naturels issus du maqui, du myrte noir et des épinards comme sensibilisants. Ces sensibilisants naturels sont ensuite placés entre deux couches de verre transparent. Bien que l’efficacité de ces cellules particulièrement bon marché ne soit pas encore claire, des recherches antérieures dans le domaine des cellules à colorants organiques ont permis d’atteindre un « rendement de conversion de puissance élevé de 9,8 % ».

Les cellules solaires transparentes utilisent un revêtement d'oxyde d'étain à l'intérieur des vitres pour conduire l'électricité hors de la cellule. La cellule contient de l'oxyde de titane recouvert d'un colorant photoélectrique.

La plupart des cellules solaires conventionnelles utilisent la lumière visible et infrarouge pour produire de l'électricité. En revanche, la nouvelle cellule solaire innovante utilise également le rayonnement ultraviolet. Lorsqu'elle est utilisée en remplacement d'une vitre traditionnelle ou placée sur la vitre, la zone d'installation peut être grande, conduisant à des applications potentielles utilisant les fonctions combinées de production d'énergie, d'éclairage et de contrôle de la température.

Un autre nom pour les photovoltaïques transparents est « photovoltaïque translucide » (ils ne laissent passer que la moitié de la lumière qui leur tombe dessus). Semblables aux photovoltaïques inorganiques, les photovoltaïques organiques peuvent également être translucides.

Non sélectif en longueur d'onde

Certains systèmes photovoltaïques non sélectifs en longueur d'onde atteignent une semi-transparence grâce à la segmentation spatiale de cellules solaires opaques. Cette méthode utilise des cellules solaires opaques et répartit plusieurs petites cellules sur un substrat transparent. Cette division réduit considérablement l’efficacité de la conversion d’énergie et augmente la transmission.

Une autre branche du photovoltaïque non sélectif en longueur d'onde utilise des semi-conducteurs à couches minces visiblement absorbants avec de petites épaisseurs ou des bandes interdites suffisamment grandes pour permettre à la lumière de passer à travers. Il en résulte des photovoltaïques semi-transparents avec un compromis direct similaire entre efficacité et transmission que les cellules solaires opaques segmentées spatialement.

Une autre branche du photovoltaïque non sélectif en longueur d'onde utilise des semi-conducteurs à couches minces visiblement absorbants avec de petites épaisseurs ou des bandes interdites suffisamment grandes pour permettre à la lumière de passer à travers. Cela conduit à des photovoltaïques semi-transparents avec un compromis direct similaire entre efficacité et transmission que les cellules solaires opaques segmentées spatialement.

Photovoltaïque sélectif en longueur d'onde

Le photovoltaïque sélectif en longueur d'onde atteint la transparence grâce à l'utilisation de matériaux qui absorbent uniquement la lumière UV et/ou NIR et a été introduit pour la première fois en 2011. Malgré la perméabilité plus élevée, les efficacités de conversion d’énergie sont inférieures en raison d’un certain nombre de problèmes. Ceux-ci incluent de petites longueurs de diffusion d'excitons, une mise à l'échelle des électrodes transparentes sans compromettre l'efficacité et une durée de vie globale en raison de l'instabilité des matériaux organiques utilisés dans les TPV en général.

Innovations dans le photovoltaïque transparent et translucide

Les premières tentatives visant à développer des systèmes photovoltaïques organiques semi-transparents non sélectifs en longueur d'onde avec des couches actives très fines qui absorbent dans le spectre visible n'ont permis d'atteindre que des rendements inférieurs à 1 %. Cependant, en 2011, des photovoltaïques organiques transparents avec un donneur de phtalocyanine de chloroaluminium organique (ClAlPc) et un accepteur de fullerène ont montré une absorption dans le spectre ultraviolet et proche infrarouge (NIR) avec des rendements d'environ 1,3 % et une transmission de la lumière visible de plus de 65 %. En 2017, des chercheurs du MIT ont développé une méthode permettant de déposer avec succès des électrodes de graphène transparentes sur des cellules solaires organiques, ce qui a permis d'obtenir une transmission de la lumière visible de 61 % et une efficacité améliorée de 2,8 à 4,1 %.

Les cellules solaires à pérovskite, très populaires en tant que photovoltaïque de nouvelle génération avec des rendements supérieurs à 25 %, se sont également révélées prometteuses pour le photovoltaïque transparent. En 2015, une cellule solaire à pérovskite semi-transparente utilisant une pérovskite de triiodure de plomb de méthylammonium et une électrode supérieure à grille de nanofils d'argent a démontré une transmission de 79 % à une longueur d'onde de 800 nm et une efficacité d'environ 12,7 %.