Konarka : pionnier du module photovoltaïque organique

La société qui commercialise des semi-conducteurs et des cellules photovoltaïques organiques (CPO) a son siège social aux États-Unis.

Le concept de base des CPO décrit dans une publication de Sarifciftci, Heeger et leurs collaborateurs, au début des années 1990 est d’utiliser une heterojunction agissant comme couche photoactive et de la déposer sur un substrat approprié. Une couche de ce type est constituée de deux matériaux, soit un polymère et un dérivé de fullerène solubilisé, par exemple le PCMB (l’ester méthylique de l’acide [6,6]-phényl-C61 butyrique).

Ces composants, qui sont en grande partie insolubles l’un dans l’autre, peuvent toutefois être dissous dans un solvant commun ; lorsque la solution homogène obtenue est utilisée pour déposer une couche mince sur un substrat, les phases du polymère et du dérivé de fullerène se séparent et forment des domaines enchevêtrés ayant la forme de canaux. Cette morphologie particulière est très sensible aux conditions de dépôt, par exemple la température, l’humidité et la vitesse d’évaporation du solvant, et elle entraîne la formation d’une zone présentant une très haute surface active, située entre la phase du polymère (le donneur d’électrons) et celle du dérivé de fullerène (l’accepteur d’électrons), ce qui accroît la dissociation d’excitons.

La nature des processus énergétiques cruciaux, qui déterminent le bilan énergétique du transfert entre le donneur et l’accepteur d’électrons, est aujourd’hui assez clairement établie et la modélisation des processus donne des résultats satisfaisants. Les études théoriques démontrent que ces hétérojonctions composites sur les substrats actuels permettraient d’obtenir un rendement des cellules de plus de 10 %, dans le cas des dispositifs à simple jonction, et de près de 15 %, dans celui des dispositifs à double jonction (en « tandem »). Konarka a récemment annoncé qu’elle avait brisé un record mondial en matière de rendement, avec des cellules de 1 cm2 qui présentent un rendement de 8,3 % certifiées par le NREL.

Depuis le premier rapport, d’importants travaux de recherche portant sur les modules solaires à films minces à base de composites photovoltaïques organiques ont été réalisés par des chercheurss universitaires et industriels oeuvrant dans ce domaine. Au cours des dix dernières années, des milliers d’articles et de brevets ont été publiés et déposés. L’idée de base est ici de fabriquer à grande vitesse des modules sur des substrats minces et souples, en combinant des procédés d’impression, de revêtement et de stratification semblables à ceux déjà employés, depuis bien des décennies, dans l’industrie photographique et dans diverses et nombreuses autres industries de revêtement et d’impression. Les faibles coûts en capital et les cadences de production élevées de ces procédés bien établis pourraient se traduire par la production de mégawatts d’énergie solaire, et ce, à des bas prix sans précédent.

En 2007, Konarka Technologies a acheté une usine de fabrication de 25 000 m2 située à New Bedford, au Massachusetts. Si l’usine est utilisée à sa pleine capacité pour produire des modules solaires ayant un rendement de 5 %, il est possible de fabriquer annuellement des modules solaires permettant une production totale de 1 GW d’énergie solaire. Le rendement actuel des modules produits est de près de 5 % et leur rapport puissance/poids est de 85 mW/g, lorsque les barrières et les revêtements de protection et les fils d’interconnexion sont en place, soit une valeur grandement supérieure à celle du meilleur produit concurrent (environ 55 mW/g). Ces modules pourraient être commercialisés comme sources d’énergie portatives et pour certaines applications hors-réseau.

La société Konarka fabrique actuellement, à faible niveau de production, des modules photovoltaïques organiques légers et souples destinés au marché des cellules solaires portatives. Les boîtiers d’ordinateur auxquels sont intégrés à la fois des piles et des chargeurs solaires ainsi que des chargeurs de piles déployables gagnent en popularité. Les principales applications des produits de prochaine génération viseront à les intégrer à des dispositifs courants comme des auvents et des abris d’auto, et, dans un domaine où Konarka occupe une place de choix, des verres colorés semi-transparents pour les fenêtres de bâtiments commerciaux et de serres.