Une technologie polyvalente de cellules solaires pour les appareils auto-rechargeables en course pour le Prix de l’inventeur européen 2021

L’Office européen des brevets (OEB) annonce que les innovateurs suédois Henrik Lindström et Giovanni Fili sont nommés finalistes du Prix de l’inventeur européen 2021 dans la catégorie « Petites et moyennes entreprises » (PME) pour leur cellule solaire à pigment photosensible puissante et polyvalente.

Cette technologie est en cours d’intégration dans une nouvelle génération d’appareils électroniques auto-rechargeables qui peuvent générer de l’énergie solaire à partir de n’importe quelle source de lumière, aussi bien en intérieur qu’en extérieur.

Commercialisées par leur PME basée à Stockholm, ces cellules sont fines, polyvalentes et durables. Leur innovation, le supraconducteur à l’intérieur des cellules, permet d’imprimer le film solaire « Powerfoyle » dans différentes couleurs, formes et textures. L’entreprise prévoit de mettre ce matériau sur le marché en l’intégrant à différents produits, comme des casques de vélo dotés de lumières auto-alimentées, ou encore des écouteurs auto-rechargeables.

Le photovoltaïque (PV) de première génération à base de silicium dans les panneaux solaires est la source d’énergie qui connaît la plus forte croissance dans le monde. Mais le PV de troisième génération, comme les cellules solaires à pigment photosensible, devrait arriver bientôt à maturité. Elles n’impliquent pas un recours au silicium et sont plus légères, plus fines, plus adaptables et fabriquées à partir de matériaux plus courants respectueux de l’environnement. Des problèmes liés à la conception et au rendement relativement faible par rapport aux systèmes photovoltaïques au silicium ont freiné la commercialisation des cellules solaires à pigment photosensible jusqu’à présent. La nouvelle architecture de la cellule solaire à pigment photosensible inventée par Henrik Lindström et Giovanni Fili offre une meilleure efficacité à la fois en lumière naturelle et artificielle, et ouvre de nouveaux horizons aux clients en matière de design. Le film solaire contenant les cellules améliorées est maintenant introduit sur le marché des appareils électroniques auto-rechargeables.

Les cellules à pigment photosensible sont généralement constituées d’un substrat transparent recouvert d’un oxyde conducteur. En dessous se trouve une couche de pigment photosensible qui absorbe la lumière du soleil et libère des électrons. En 2010, le coût de ces matériaux limitait encore le progrès. Mais cela a changé lorsque le duo a eu une idée inédite.

« J’ai compris assez tôt que les cellules solaires à pigment photosensible avaient un énorme potentiel, mais créer une industrie à partir d’une cellule de laboratoire nécessitait des innovations radicales tant dans la technologie des cellules solaires que dans la fabrication industrielle. C’est pourquoi remplacer le substrat transparent, coûteux et inefficace, a été la clé pour réinventer cette technologie de cellule solaire, sur la base de laquelle nous avons fondé Exeger. Aujourd’hui, douze ans plus tard, nos premiers produits sont lancés avec des partenaires en Suède. Cela marque le début d’une nouvelle ère pour les produits autoalimentés, où les chargeurs deviennent obsolètes et où notre technologie Powerfoyle peut devenir la nouvelle norme », explique Giovanni Fili.

« Les électrodes de notre cellule solaire sont fabriquées dans un nouveau matériau, qui possède une conductivité 1000 fois supérieure, ce qui nous permet d’imprimer de grandes surfaces homogènes, de toutes les formes possibles et avec différentes textures, sans impacter la production d’électricité. Le trait caractéristique, c’est que pour la première fois, l’électrode est placée directement derrière la couche qui absorbe la lumière, ce qui signifie que davantage de lumière atteint la cellule, et donc qu’une plus grande quantité de courant électrique est générée. La cellule solaire peut ainsi être facilement intégrée à quasiment tous les produits, les dotant d’une source d’énergie fiable à partir de n’importe quelle source de lumière, artificielle ou naturelle », explique Henrik Lindström à propos de son invention.

Afin de remplacer la couche conductrice qui faisait perdre de la lumière, Henrik Lindström a dû inventer un nouveau matériau pour l’électrode. Ce matériau conducteur, avec une conductivité bien plus élevée que tout ce qui avait été produit jusque-là dans le secteur des cellules solaires, a été l’élément clé pour repenser les autres caractéristiques de leurs cellules solaires à pigment photosensible. Ils ont commencé par déplacer la couche conductrice derrière la couche de pigment, augmentant ainsi de 10 à 20% la quantité de lumière qui frappe le pigment absorbeur. La couche conductrice est légère, résistante à la chaleur et ne nécessite pas de grille d’argent coûteuse pour transporter les électrons générés par la couche qui absorbe la lumière. Ce procédé, associé à une production par sérigraphie, offre des possibilités totalement nouvelles en matière de conception des produits que la cellule solaire charge.

Alors que la cellule solaire à pigment photosensible a un rendement de conversion photoélectrique d’environ 13% en extérieur et jusqu’à 30% en intérieur, l’efficacité de la conversion de la lumière de la nouvelle cellule, qui possède une conductivité environ 1000 fois supérieure, n’a pas encore été dévoilée. Les matériaux utilisés par les deux inventeurs seraient largement disponibles, non toxiques et faciles à trouver. Exeger a déposé en 2010 une demande de brevet américain pour la première version de la technologie, avant de déposer le brevet principal des cellules en 2011.

Lorsque l’invention de Henrik Lindström et Giovanni Fili a commencé à passer à la production en 2013, la société a été rebaptisée Exeger (anciennement NLAB Solar). Son usine pilote à Stockholm a réalisé son cycle de production de démonstration fin 2014, et l’entreprise a obtenu un brevet européen pour leur invention en 2018. Giovanni Fili a attiré des investisseurs au début du projet, mais la protection par brevet est devenue cruciale pour offrir la sécurité nécessaire aux futurs financeurs et pour l’indépendance commerciale à long terme de l’entreprise. « Tout est basé sur cette famille de brevets autour de la couche supraconductrice qu’Henrik a inventée, qui est inédite dans notre secteur d’activité », explique Giovanni Fili.

En 2019, après plusieurs années passées à peaufiner leurs processus de production et à travailler avec des clients potentiels sur des idées de produits, Exeger a levé environ 40 millions d’euros en trois tours de table. Sur ce montant, 20 millions d’euros sont venus du groupe japonais SoftBank, avec lequel elle a conclu un partenariat stratégique pour accélérer le déploiement mondial de sa technologie.

Giovanni Fili considère que toutes les recherches effectuées par les équipes de Henrik Lindström sont directement liées aux applications du produit, ce qui rend d’autant plus importante la protection de l’invention par brevet. Plusieurs produits doivent être lancés en 2021, comme des casques de vélos ou des écouteurs auto-rechargeables.

Exeger emploie actuellement 140 employés dans son usine de Stockholm, et prévoit de démarrer cette année la construction d’une deuxième usine, avec une capacité dix fois supérieure. La construction de cette nouvelle usine terminée, l’entreprise pourra pénétrer de nombreux autres marchés, en se concentrant sur l’électronique grand public et le marché déjà existant des cellules solaires d’extérieur. Les inventeurs expliquent que leur équipe de R&D est essentielle à la poursuite des innovations et du succès d’Exeger. L’équipe compte aujourd’hui 36 employés, dont 42% possèdent un doctorat.

« L’invention de Henrik Lindström et Giovanni Fili ouvre la voie au développement d’une nouvelle génération d’appareils électroniques auto-rechargeables », a déclaré le Président de l’OEB, António Campinos, lors de l’annonce des finalistes du Prix de l’inventeur européen 2021. Les lauréats de l’édition 2021 du Prix de l’inventeur européen décerné chaque année par l’OEB seront annoncés le 17 juin prochain.