Très actives sur les cellules photovoltaïques du type "Grätzel", les équipes japonaises pourraient voir leurs intérêts converger avec les équipes françaises dans une coopération sur les nouvelles générations de cellules organiques.
Cet article a été préparé par Michel Colrat à partir du rapport "Le photovoltaïque organique au Japon" rédigé par Pierre Destruel, Jean-Michel Nunzi et Lydie Valade, en lien avec le service pour la Science et la Technologie de l'ambassade de France au Japon ; nous remercions ces auteurs pour leur collaboration.
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Focus :
Projets en photovoltaïque organique financés par la NEDO :
- stabilité à long terme des cellules à colorant, faculté d'engineering (Tokyo),
- cellules organiques à hautes performance et durabilité, AIST/Energy Technology Research Institute (Tsukuba),
- cellules organiques utilisant une nanostructure ZnO électrodéposée, sensibilisée avec des colorants, université de Gifu,
- cellule à colorants hybride avec électrode 3D en TiO2, Kyushu Institute of Technology,
- DSSC à faible coût, université d'Osaka,
- cellules tandem à colorant, université Shinshu,
- cellules tandem hybrides silicium-organique, université de Tokyo,
- cellules solaires à colorants de haute efficacité et modules intégrés, AIST Research Center for Photovoltaics,
- cellules photovoltaïques organiques de grande surface, université de Kanazawa,
- cellules organiques à structure contrôlée, Nagoya Institute of Technology,
- cellules tandem polymère-hétérojonction polymère, university de Kyoto.
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Le Japon soutient des programmes de recherche sur le photovoltaïque depuis 1974. La recherche dans ce domaine fait partie des onze programmes prioritaires de la NEDO, l'agence de moyens du ministère de l'Economie, du Commerce et de l'Industrie au Japon. Le souci de réduire les coûts de production des cellules et d'accroître leur efficacité est apparu très tôt, dès le début des années 1990 dans les programmes de la NEDO, qui a défini une feuille de route dont l'objectif est d'atteindre en 2030 des coûts de production d'énergie photovoltaïque équivalents à ceux du solaire thermique. L'utilisation de nouveaux matériaux dans les cellules de type DSSC, les cellules organiques ainsi que de nouvelles structures multijonctions est soutenue pour atteindre cet objectif. Le photovoltaïque organique est plus particulièrement envisagé pour des petites unités de production dans les technologies mobiles ou domestiques. Le Japon est particulièrement en avance sur l'amélioration des performances des cellules DSSC, notamment au niveau de l'étude d'électrolytes solides. L'Europe paraît plus avancée dans le domaine du photovoltaïque organique de nouvelle génération.
Depuis longtemps, le Japon s'est placé au premier rang mondial de la recherche et de la production de modules photovoltaïques. En 2005, il représentait la moitié de la production dont 57% est couvert par les dispositifs utilisant le silicium polycristallin. La NEDO a défini une feuille de route pour l'amélioration des systèmes dont l'objectif est d'atteindre en 2030 des coûts de production d'énergie équivalents au thermique - soit 4,4 c euros/kWh. Ainsi depuis 2002 et jusqu'en 2020, des programmes de recherche visant à la fabrication de nouvelles générations de cellules plus efficaces sont encouragés et soutenus avec pour objectif intermédiaire de faire chuter les coûts de 19 c euros/kWh à 9 c euros/kWh. A l'issue de cette période, des améliorations liées à l'utilisation de nouveaux matériaux (DSSC et organiques) et de nouvelles structures (multijonctions) sont prévues pour atteindre l'objectif de 2030. Le photovoltaïque organique est plus particulièrement envisagé pour des petites unités de production dans les technologies mobiles ou domestiques.
Des objectifs très ambitieux mais de long terme
Les actions de R&D soutenues par la NEDO dans le domaine des technologies photovoltaïques de nouvelle génération entrent dans le cadre d'un vaste programme consacré aux "Technologies de l'énergie et de l'environnement". Ces actions financées à hauteur de près de 2 milliards de yens (12,8 millions d'euros) sur les années 2006 à 2009 portent sur des projets de développement des diverses technologies alternatives au silicium polycristallin : solaire photovoltaïque organique, les films minces inorganiques de type diséléniure de cuivre et d'indium (CIS), les films minces de silicium et les cellules type Grätzel - ou DSSC (Dye-Sensitized Solar Cells).
La mission "photovoltaïque organique" menée en avril 2007 avait pour objectif de recenser les forces vives de ce domaine dans les laboratoires japonais, d'identifier les recherches en pointe dans ces laboratoires et de diffuser ces informations de manière à susciter des collaborations franco- japonaises pouvant se développer au travers de programmes de recherche en commun tels que CNRS/JSPS, NEDO, CNRS/AIST ou Sakura. Des échanges de chercheurs seniors ou juniors peuvent intervenir grâce à ces types de programmes. Les membres de la mission ont été accueillis dans neuf laboratoires des principales universités japonaises en pointe sur ce domaine : l'université d'Ibaraki, l'université des sciences de Tokyo, la NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization), le Research Center for Photovoltaics de l'AIST, le Research Center for Solar Energy Chemistry et l'école d'ingénieurs de l'université d'Osaka, l'Institute of Advanced Energy et l'école d'ingénieurs de l'université de Kyoto, l'université de Nagoya.
De la rencontre avec ces laboratoires, on peut retenir qu'une majorité de travaux menés au Japon sont consacrés aux DSSC. Le Japon est en avance sur l'amélioration des performances de ce type de cellules, en particulier au niveau de l'étude d'électrolytes solides. Les deux tiers des projets financés par la NEDO concernent les DSSC - soit huit projets contre quatre sur les cellules organiques (voir "Projets en photovoltaïque organique financés par la NEDO" ci-contre). L'Europe paraît plus avancée dans le domaine du photovoltaïque organique de nouvelle génération. Il est ainsi apparu aux membres de la mission que des complémentarités entre des équipes japonaises et des équipes françaises existent permettant d'engager des programmes de collaboration permettant d'atteindre encore plus tôt de hautes performances de cellules solaires organiques. D'ailleurs, s'il n'y a pas encore de programmes internationaux sur le photovoltaïque, la mission souligne que des rencontres entre la NEDO, le CNRS et le CEA ont été envisagées, et que des accords de collaboration ont d'ores et déjà été signés entre l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (Ademe) et la NEDO.
La NEDO est l'agence de financement de projets de recherches du ministère de l'Economie, du Commerce et de l'Industrie (METI). Elle finance donc des projets de recherche finalisée, pour la plupart conjointement entre des laboratoires de recherches publics (universités, centres de recherches) et privés - au Japon 80% de l'effort de R&D est effectué par les entreprises privées.
Le responsable du programme photovoltaïque au NEDO, Koji Matsubara, met en exergue les six filières technologiques actuellement financées par l'organisation : les cellules à couche mince CIS, les couches minces silicium, les cellules à colorant (DSSC), les cellules de nouvelle génération à film ultramince en silicium monocristallin, les cellules organiques et, enfin, les recherches sur des technologies de rupture.
La NEDO anticipe pour chaque décennie à venir, une courbe de l'évolution du coût de l'électricité photovoltaïque dont la pente changera significativement à la suite de nouvelles avancées technologiques. Le scénario envisagé à la NEDO est la réduction, puis la suppression du silicium dans les nouvelles générations de cellules. Son objectif pour les cellules organiques en 2010 est une efficacité de 7%. Les entreprises privées japonaises sont impliquées dans des projets de cellules organiques (Panasonic avec l'AIST), ou hybrides avec par exemple des cellules tandem silicium amorphe-organique (Kyocera).
Les cellules de Grätzel au centre des recherches japonaises
Les cellules de Grätzel, qui sont déjà fabriquées par quatre sociétés japonaises (mais pas encore commercialisées) font l'objet de la majorité des développements dans les laboratoires visités. L'université d'Ibaraki développe des cellules de type Grätzel avec électrolyte solide à base de polysaccharides, et notamment à base de polymères naturels (sucres, agarose, alpha-Carrageenan). Notons que le laboratoire du Pr Kaneko développe également des cellules basées sur une anode en TiO2 nanoporeux et une cathode support de la réduction d'oxygène pour la dépollution de divers électrolytes, avec production d'électricité. Cette cellule a été testée avec des électrolytes d'une grande variété : polysaccharides, urine, alcools, acides aminés, Coca-Cola, épinards, tomates... Outre la dépollution et la production d'électricité, il convient de noter (voir encadré) que le système ne produit aucun polluant secondaire, seulement du diazote (N2) et de l'eau (pas de NO2 car l'oxygène est utilisé dans un procédé de type pile à combustible en partenariat avec les protons produits à l'anode). Cette technologie est valorisée par les Pr Kaneko et Nemoto dans le cadre d'une start-up dénommée "The Institute of Biophotochemonics".
Le Pr Arakawa de l'université des sciences de Tokyo développe des systèmes à base de TiO2 pour améliorer l'absorption de la lumière (dépôt de complexes de ruthénium) et la diffusion de la lumière dans les cellules avec des particules calibrées de TiO2. Son équipe vise à atteindre des rendements des cellules de 11%.
Le centre de recherche en chimie de l'énergie solaire de l'université d'Osaka travaille très en amont sur la thématique des DSSC ; ses recherches en la matière ne sont pas financées par contrat NEDO ou entreprises, car jugées trop fondamentales. Le professeur Matsumura n'en est pas à ses débuts puisqu'il travaille depuis plus de 30 ans sur les cellules Grätzel, ayant fait sa thèse sur le sujet en 1976, et publié dans le journal Nature la même année. Il est très ouvert à toute collaboration, et d'autant plus libre de partager ses travaux qu'il n'est lié à aucun industriel. Actuellement, le laboratoire est intéressé par des DSSC à l'état solide, avec un électrolyte sous forme de gel, visant des applications domestiques.
L'Institute of Advanced Energy de l'université de Kyoto essaie d'améliorer la durée de vie des DSSC. A cet effet, il étudie l'effet de l'épaisseur et la structuration des électrodes en TiO2 sur tous les paramètres de la cellule. Pour obtenir des cellules à haut rendement, ils étudient des électrodes formées de réseaux nanostructurés en 1D ou 2D, tels que des nanotubes, nanofils ou nanofeuilles. Ils ont réussi à contrôler par synthèse hydrothermale des microstructures de TiO2 telles des tiges, des tubes, des fils et des feuillets. Les films fabriqués avec des réseaux de nanotiges orientées comme des monocristaux conduisent à une amélioration importante de la mobilité électronique. Les chemins le long de ces nanotiges assurent une collecte rapide des photoélectrons jusqu'aux électrodes. Avec cet objectif, des DSSC ont été fabriquées avec des nanotiges de ZnO en brosse, déposées sur un substrat transparent de SnO2 dopé au fluor (FTO). L'influence de la longueur des nanotiges a été étudiée.
Le Pr Mori de l'université de Nagoya travaille également dans le domaine des DSSC. Il étudie une cellule tandem constituée de deux cellules de type Grätzel positionnées face à face, dotées chacune d'un colorant dont les spectres d'absorption se complètent et recouvrent l'ensemble du spectre visible. Une électrode commune est constituée d'un maillage de fils métalliques de 70 m de diamètre. Les deux cellules sont connectées en parallèle. Les courants de chacune s'ajoutent. Il en résulte une augmentation du rendement qui passe de 1,8% pour une cellule simple à 3,9% pour la cellule tandem, voire 4,7% par optimisation de l'épaisseur de l'électrode sur la face entrée de la cellule.
Des développements intéressants de cellules organiques de nouvelle génération
Parmi les autres développements de cellules organiques, les équipes japonaises travaillent sur des dispositifs à base de molécules organiques et polymères associant d'une part des matériaux donneurs d'électrons par photo-excitation et conducteurs de trous, d'autre part des matériaux accepteurs et conducteurs d'électrons. Les travaux portent ainsi sur des matériaux déjà classiquement utilisés pour ces applications, avec des associations fullerènes C60-polymères, les polymères utilisés étant le pentacène, des dérivés du pérylène, les phtalocyanines, des porphyrines, et tous leurs composés... Les mises en oeuvre des ces matériaux visent à réaliser des couches interpénétrées favorisant l'interaction entre matériaux, et les phénomènes de diffraction et de diffusion de lumière. On peut citer les réalisations de cellules organiques bicouches à structures interdigitées sur substrat silicium (université d'Osaka), les cellules organiques avec insertion d'une couche de NTDCA de forte épaisseur, permettant d'éviter les courts- circuits, ce qui est extrêmement utile à la réalisation de cellules de grande surface.
Retenons surtout que les équipes françaises également engagées sur ces voies pourraient sans doute amorcer des partenariats intéressants dans ces domaines avec leurs homologues japonaises, car des complémentarités intéressantes sont susceptibles de favoriser des programmes de collaboration qui permettraient d'atteindre encore plus tôt des cellules solaires organiques de hautes performances.
