GiPV : Systèmes photovoltaïques intégrés au bâtiment avec modules solaires semi-transparents

Le photovoltaïque intégré au bâtiment (PVIB) désigne les matériaux photovoltaïques qui remplacent les matériaux de construction conventionnels dans certaines parties de l'enveloppe d'un bâtiment, comme la toiture, les puits de lumière ou la façade. De plus en plus utilisé dans les nouvelles constructions comme source d'énergie principale ou secondaire, il est également possible de rénover des bâtiments existants grâce à cette technologie. L'avantage du photovoltaïque intégré par rapport aux systèmes conventionnels non intégrés réside dans la possibilité de compenser les coûts initiaux grâce à la réduction des dépenses en matériaux et en main-d'œuvre normalement nécessaires à la construction de la partie du bâtiment remplacée par les modules PVIB. Par ailleurs, le PVIB favorise une plus grande acceptation des installations solaires lorsque l'esthétique du bâtiment est un critère important et que les panneaux solaires conventionnels montés sur châssis nuiraient à l'apparence recherchée.

Le terme BAPV (photovoltaïque appliqué au bâtiment) est parfois utilisé pour désigner les systèmes photovoltaïques installés ultérieurement dans un bâtiment. La plupart des systèmes intégrés au bâtiment sont en réalité des systèmes BAPV. Certains fabricants et promoteurs font la distinction entre BIPV et BAPV dans le cadre de la construction neuve.

Les applications photovoltaïques intégrées au bâtiment (PVIB) ont émergé dans les années 1970. Des modules photovoltaïques à cadre en aluminium étaient fixés ou installés sur des bâtiments, généralement situés dans des zones reculées non raccordées au réseau électrique. Dans les années 1980, les systèmes photovoltaïques en toiture ont commencé à se développer. Ces systèmes étaient généralement installés sur des bâtiments raccordés au réseau électrique et situés dans des zones dotées de centrales électriques centralisées. Dans les années 1990, des produits PVIB spécifiquement conçus pour être intégrés à l'enveloppe du bâtiment ont été commercialisés. Une thèse de doctorat de 1998, signée Patrina Eiffert et intitulée « Évaluation économique du PVIB », émettait l'hypothèse qu'il existerait un jour une valeur économique dans l'échange de certificats d'énergie renouvelable (CER). Une évaluation économique et un bref historique du PVIB, réalisés en 2011 par le Laboratoire national des énergies renouvelables des États-Unis (NREL), suggèrent que d'importants défis techniques subsistent avant que les coûts d'installation du PVIB puissent concurrencer ceux des systèmes photovoltaïques. Il existe toutefois un consensus croissant sur le fait que les systèmes photovoltaïques intégrés au bâtiment (BIPV), grâce à leur commercialisation à grande échelle, constitueront la pierre angulaire de l'objectif européen de bâtiments à énergie zéro (ZEB) d'ici 2020. Malgré des perspectives techniques prometteuses, des freins sociaux à leur adoption généralisée ont également été identifiés, tels que la culture conservatrice du secteur de la construction et les difficultés d'intégration dans les plans d'urbanisme à haute densité. Les auteurs soulignent que l'adoption à long terme dépendra probablement autant de décisions politiques efficaces que du développement technologique.

Les modules solaires semi-transparents offrent une solution intéressante pour intégrer le photovoltaïque au bâtiment (PVIB) à l'architecture et à l'urbanisme. Ce nouveau type de production d'énergie solaire est susceptible de devenir un élément important de la production mondiale d'électricité à l'avenir.

L'intégration de panneaux photovoltaïques au bâtiment, avec des modules solaires semi-transparents, constitue une option intéressante pour la construction de bâtiments à haute performance énergétique. Cette technologie permet de réduire les coûts énergétiques tout en améliorant l'esthétique extérieure du bâtiment.

De plus, les panneaux solaires semi-transparents peuvent être utilisés pour diriger la lumière naturelle à l'intérieur d'un bâtiment. Cela permet non seulement de réaliser des économies d'énergie, mais aussi de réduire les coûts d'éclairage artificiel.

En résumé, le photovoltaïque intégré au bâtiment (PVIB) est une forme d'énergie renouvelable très efficace et polyvalente. Il a le potentiel d'améliorer durablement l'approvisionnement énergétique des bâtiments.

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

Modules photovoltaïques solaires à couches minces en silicium cristallin amorphe, qui peuvent être creux, légers, rouges, bleus et jaunes, utilisés comme façade en verre et puits de lumière transparent.

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

Modules solaires à double vitrage avec cellules carrées à l'intérieur.

toits plats

La solution la plus répandue à ce jour consiste en une cellule solaire à couche mince amorphe intégrée dans un module polymère flexible, fixé par un film adhésif entre la face arrière du module et la membrane d'étanchéité du toit. Grâce à la technologie CIGS (séléniure de cuivre, d'indium et de gallium), une entreprise américaine a atteint un rendement de 17 % pour des modules intégrés au bâtiment dans des membranes TPO monocouches.

Toits en pente

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

Modules en forme de tuiles de toit.

Les tuiles solaires sont des modules qui ressemblent à des tuiles normales et fonctionnent comme elles, mais qui contiennent une cellule à couche mince flexible.

Elles prolongent la durée de vie normale des toitures en protégeant l'isolation et les membranes des rayons UV et des dégâts d'eau. Elles préviennent également la condensation en maintenant le point de rosée au-dessus de la membrane d'étanchéité.

Les toitures métalliques inclinées (structurelles et architecturales) sont désormais équipées de fonctions photovoltaïques, soit par collage d'un module flexible autoportant, soit par thermoscellage et scellage sous vide des cellules CIGS directement sur le substrat.

façade

Des façades peuvent être ajoutées aux bâtiments existants, leur conférant une apparence totalement nouvelle. Ces modules sont fixés sur la façade du bâtiment, par-dessus la structure existante, ce qui peut accroître son attrait et sa valeur de revente.

vitrage

Les fenêtres photovoltaïques sont des modules (semi-)transparents qui peuvent remplacer de nombreux éléments architecturaux généralement en verre ou en matériaux similaires, tels que les fenêtres et les puits de lumière. Elles produisent de l'énergie électrique et permettent de réaliser des économies d'énergie supplémentaires grâce à leurs excellentes propriétés d'isolation thermique et à leur capacité à contrôler le rayonnement solaire.

Fenêtres photovoltaïques : L’intégration des technologies de production d’énergie dans les bâtiments résidentiels et commerciaux a ouvert de nouveaux champs de recherche, mettant davantage l’accent sur l’esthétique du produit final. Si l’objectif reste d’atteindre un rendement élevé, les nouvelles technologies de fenêtres photovoltaïques visent également à offrir aux consommateurs une transparence optimale du verre et/ou un choix de couleurs. Des panneaux solaires de différentes couleurs peuvent être conçus pour absorber de manière optimale des plages de longueurs d’onde spécifiques du spectre lumineux. Le verre photovoltaïque coloré a été développé avec succès grâce à l’utilisation de cellules solaires semi-transparentes, en pérovskite et à colorant.

• Des cellules solaires plasmoniques absorbant et réfléchissant la lumière colorée ont été développées grâce à la technologie Fabry-Pérot-Étalon. Ces cellules sont constituées de deux films métalliques réfléchissants parallèles et d'un film diélectrique formant une cavité entre eux. Les deux électrodes sont en argent (Ag) et la cavité est en Sb₂O₃. En modifiant l'épaisseur et l'indice de réfraction de la cavité diélectrique, on ajuste la longueur d'onde d'absorption optimale. L'adaptation de la couleur du verre de la couche absorbante à la partie spécifique du spectre pour laquelle l'épaisseur et l'indice de réfraction de la cellule sont les plus adaptés améliore l'esthétique de la cellule en intensifiant sa couleur et en minimisant les pertes de photocourant. Les dispositifs émettant de la lumière rouge et bleue ont atteint des transmittances respectives de 34,7 % et 24,6 %. Les dispositifs bleus convertissent 13,3 % de la lumière absorbée en électricité, ce qui en fait les plus performants parmi tous les dispositifs colorés développés et testés.
• La technologie des cellules solaires à pérovskite peut être optimisée pour les longueurs d'onde rouge, verte et bleue en modifiant l'épaisseur des nanofils métalliques à respectivement 8, 20 et 45 nm. Des rendements énergétiques maximaux de 10,12 %, 8,17 % et 7,72 % ont été obtenus en ajustant la réflectance du verre à la longueur d'onde pour laquelle la cellule respective est la mieux adaptée.
• Les cellules solaires à colorant utilisent des électrolytes liquides pour capter la lumière et la convertir en énergie utilisable, à l'instar des pigments naturels qui permettent la photosynthèse chez les plantes. Si la chlorophylle est le pigment responsable de la couleur verte des feuilles, d'autres pigments naturels, comme les caroténoïdes et les anthocyanes, produisent des variations de teintes orangées et violettes. Des chercheurs de l'Université de Concepción ont démontré la viabilité de cellules solaires colorées à colorant, qui présentent des couleurs vives et absorbent sélectivement certaines longueurs d'onde de la lumière. Cette solution économique utilise des pigments naturels extraits du fruit du maqui, du myrte noir et des épinards comme sensibilisateurs. Ces sensibilisateurs naturels sont ensuite pris en sandwich entre deux couches de verre transparent. Bien que l'efficacité de ces cellules particulièrement peu coûteuses reste à déterminer, des recherches antérieures sur les cellules solaires organiques à colorant ont permis d'atteindre un rendement de conversion énergétique élevé de 9,8 %.

Les cellules solaires transparentes utilisent une couche d'oxyde d'étain sur la face interne des vitres pour conduire l'électricité produite par la cellule. Cette dernière contient de l'oxyde de titane recouvert d'un colorant photoélectrique.

La plupart des cellules solaires classiques utilisent la lumière visible et infrarouge pour produire de l'électricité. À l'inverse, cette nouvelle cellule solaire innovante exploite également le rayonnement ultraviolet. Utilisée en remplacement du vitrage traditionnel ou placée sur un vitrage existant, elle pourrait couvrir une large surface, ouvrant la voie à des applications combinant production d'énergie, éclairage et régulation thermique.

On appelle aussi les cellules photovoltaïques transparentes des « cellules photovoltaïques translucides » (elles ne laissent passer que la moitié de la lumière incidente). À l'instar des cellules photovoltaïques inorganiques, les cellules photovoltaïques organiques peuvent également être translucides.

Sélectivité non spectrale

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 tout type de cellule solaire opaque et répartit plusieurs petites cellules sur un substrat transparent. Cette segmentation réduit considérablement le rendement de conversion énergétique et augmente la transmission.

Une autre branche du photovoltaïque non sélectif en longueur d'onde utilise des semi-conducteurs en couches minces absorbant la lumière visible, d'épaisseur réduite ou présentant une bande interdite suffisamment large pour laisser passer la lumière. Il en résulte des cellules photovoltaïques semi-transparentes présentant un compromis direct similaire entre rendement et transmission à celui des cellules solaires opaques à segmentation spatiale.

Une autre branche du photovoltaïque non sélectif en longueur d'onde utilise des semi-conducteurs en couches minces absorbant la lumière visible, de faible épaisseur ou présentant une bande interdite suffisamment large pour laisser passer la lumière. Il en résulte des cellules photovoltaïques semi-transparentes présentant un compromis direct similaire entre rendement et transmission à celui des cellules solaires opaques à segmentation spatiale.

photovoltaïque sélective en longueur d'onde

Les cellules photovoltaïques sélectives en longueur d'onde (WSPV) atteignent la transparence grâce à l'utilisation de matériaux absorbant uniquement les rayonnements UV et/ou NIR. Introduites en 2011, elles présentent, malgré une transmittance plus élevée, des rendements de conversion d'énergie inférieurs en raison de plusieurs problèmes. Parmi ceux-ci figurent la faible longueur de diffusion des excitons, la miniaturisation des électrodes transparentes sans compromettre l'efficacité et la durée de vie globale limitée par l'instabilité intrinsèque des matériaux organiques utilisés.

Innovations dans le domaine du photovoltaïque transparent et translucide

Les premières tentatives de développement de cellules photovoltaïques organiques semi-transparentes non sélectives en longueur d'onde, dotées de couches actives très minces absorbant dans le spectre visible, ont atteint des rendements inférieurs à 1 %. Cependant, en 2011, des cellules photovoltaïques organiques transparentes, utilisant un donneur organique de phtalocyanine de chloroaluminium (ClAlPc) et un accepteur de fullerène, ont démontré une absorption dans les spectres ultraviolet et proche infrarouge (NIR), avec des rendements d'environ 1,3 % et une transmittance dans le visible supérieure à 65 %. En 2017, des chercheurs du MIT ont mis au point une méthode permettant de déposer avec succès des électrodes de graphène transparentes sur des cellules solaires organiques, ce qui a permis d'atteindre une transmittance dans le visible de 61 % et des rendements améliorés de 2,8 à 4,1 %.

Les cellules solaires à pérovskite, très prisées comme cellules photovoltaïques 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, composée de pérovskite de triiodure de plomb et de méthylammonium et d'une électrode supérieure en grille de nanofils d'argent, a démontré une transmission de 79 % à une longueur d'onde de 800 nm et un rendement d'environ 12,7 %.