Cellules solaires organiques semi-transparentes évolutives avec tolérance robuste à l’épaisseur de film pour le photovoltaïque intégré au bâti

Des fenêtres qui produisent leur propre énergie

Imaginez que les vitres des immeubles de bureaux ou des maisons fonctionnent comme des centrales électriques discrètes et invisibles — laissant entrer la lumière du jour tout en générant de l’électricité et en contribuant à maintenir les pièces plus fraîches. Cette étude montre comment fabriquer de telles « fenêtres énergétiques » en utilisant des cellules solaires organiques à la fois transparentes et performantes, et qui peuvent être produites à des dimensions et des épaisseurs pratiques pour des bâtiments réels.

Pourquoi les cellules solaires transparentes sont difficiles à réaliser

Les panneaux solaires conventionnels sont opaques parce qu’ils cherchent à absorber autant de lumière que possible pour maximiser la puissance. Les cellules solaires organiques semi-transparentes doivent trouver un équilibre délicat : elles doivent laisser passer suffisamment de lumière visible pour rester assimilables à des fenêtres, tout en capturant assez de lumière pour produire de l’électricité utile. Jusqu’à présent, cela a obligé les chercheurs à utiliser des couches actives extrêmement fines — moins de 80 nanomètres — mises en œuvre avec des solvants halogénés toxiques et dans des conditions de laboratoire strictement contrôlées. Ces films ultra-fins et fragiles fonctionnent sur de petites cellules-test, mais ils sont très difficiles à reproduire sur de grandes surfaces. Lorsqu’on les passe à l’échelle de modules de la taille d’une fenêtre, leurs performances s’effondrent généralement, avec seulement un peu plus de la moitié de l’efficacité observée au niveau cellule qui survit dans le panneau final.

Une nouvelle recette pour des fenêtres transparentes et épaisses

L’équipe à l’origine de ce travail a abordé le problème par deux voies complémentaires. D’abord, elle a utilisé une stratégie de « dilution du donneur » dans la couche absorbante, diminuant la fraction du matériau donneur qui absorbe la majeure partie de la lumière visible et augmentant la fraction de l’accepteur, plus transparent dans cette gamme mais toujours actif dans le proche infrarouge. Ensuite, au lieu d’étaler par spin-coating de minuscules dispositifs, elle a employé le slot-die coating — une méthode proche de l’impression qui peut couvrir de grandes surfaces — en utilisant un solvant non halogéné et peu nocif, à l’air ambiant. Avec une paire donneur–accepteur particulière connue sous le nom PM6:Qx-p-4Cl, ils ont ajusté le mélange à un rapport donneur/acceptor de 1:3 et montré que même des films relativement épais, d’environ 120–300 nanomètres, pouvaient rester semi-transparents tout en fournissant de bonnes performances électriques. Sur des dispositifs de 1 centimètre carré, ils ont atteint des efficacités d’utilisation de la lumière supérieures à 4 % pour les films plus minces et d’environ 3 % pour des films plus de trois fois plus épais que les conceptions habituelles, tout en maintenant une transparence visible moyenne d’environ un tiers à la moitié.

Comment la structure microscopique permet le fonctionnement

Pour comprendre pourquoi ces films plus épais et dilués fonctionnent si bien, les chercheurs ont sondé leur structure interne et leur formation pendant le séchage. Avec le spin coating traditionnel à forte teneur en accepteur, les molécules accepteur s’agglomèrent en régions larges et rigides, laissant un mauvais contact avec le donneur et créant des goulots d’étranglement pour le transport de charge. En revanche, lorsque le même mélange est appliqué par slot-die coating sur une surface chauffée, les molécules s’organisent alors qu’elles sont encore à l’état liquide. Cela produit un réseau finement entrelacé de domaines fibreux étroits qui restent de taille similaire même lorsque le donneur est fortement dilué. Des mesures de la manière dont les états excités se déplacent et se séparent en charges montrent que ce réseau préserve la génération et le transport rapides des charges, presque indépendamment du rapport de mélange. De manière cruciale, la distance typique que peut parcourir une excitation est légèrement supérieure à la largeur de ces fibres, de sorte que la majeure partie de l’énergie absorbée peut atteindre une interface et être convertie en charge exploitable.

Des dispositifs de laboratoire aux modules de fenêtre réalistes

Parce que la structure de la couche active reste robuste même lorsqu’elle est épaisse, les performances des petites cellules-test se transposent remarquablement bien aux grands modules. L’équipe a construit un module semi-transparent de 100 centimètres carrés composé de 23 sous-cellules connectées et a atteint plus de 10 % de rendement de conversion d’énergie tout en conservant environ un tiers de transmission visible. L’efficacité de ce module de pleine taille a conservé environ 85 % de l’efficacité mesurée sur des dispositifs unitaires, un niveau auparavant observé seulement pour des modules organiques opaques. Ils ont ensuite intégré six de ces modules dans une « fenêtre » de 600 centimètres carrés dans une maquette d’habitation, où la fenêtre alimentait simultanément un petit écran, chargeait une batterie lithium-ion et bloquait la plupart du rayonnement proche infrarouge, ralentissant notablement la hausse de température intérieure sous un ensoleillement simulé.

Ce que cela signifie pour les bâtiments quotidiens

Pour les non-spécialistes, le message principal est qu’il est désormais possible de concevoir des revêtements solaires organiques semi-transparents qui sont épais, tolérants à la fabrication et évolutifs en modules de la taille d’une fenêtre sans perdre beaucoup en performance. En ajustant soigneusement le mélange de matériaux et la manière dont les films sont imprimés et séchés, les auteurs ont créé un réseau interne fibreux et stable qui fonctionne bien même lorsque la couche n’est plus ultrafine. En conséquence, de grands panneaux semi-transparents peuvent à la fois ressembler et se comporter comme de vraies fenêtres, tout en générant une puissance significative et en aidant à gérer la chaleur. Cela fait progresser la perspective de futurs bâtiments dont les façades vitrées fourniraient régulièrement de l’électricité, stockeraient de l’énergie et amélioreraient le confort — le tout sans sacrifier la vue ni la lumière du jour.

Citation: Wang, T., Fang, J., Zhang, H. et al. Scalable semitransparent organic solar cells with robust film thickness tolerance for building-integrated photovoltaics. Nat Commun 17, 2916 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69537-3

Mots-clés: cellules solaires semi-transparentes, photovoltaïque intégré au bâti, photovoltaïque organique, fenêtres solaires, revêtement slot-die