Photovoltaïque : les promesses des nouveaux matériaux

Les cel­lules solaires (ou pho­to­vol­taïques) captent l’énergie du soleil et la conver­tissent en éner­gie élec­trique. Jusqu’en 2008, la capa­ci­té de pro­duc­tion était d’environ 10 giga­watts (GW) au niveau mon­dial, mais elle est désor­mais supé­rieure à 600 GW – ce qui serait suf­fi­sant pour ali­men­ter un pays grand comme le Bré­sil. De plus, la puis­sance géné­rée par les cel­lules solaires aurait aug­men­té de 22 % en 2019 pour atteindre 720 TWh (tera­watt hours), ce qui signi­fie que cette tech­no­lo­gie repré­sente désor­mais près de 3 % de la pro­duc­tion mon­diale d’élec­tri­ci­té¹.

Ces chiffres ne ces­se­ront d’ac­croître grâce à la tran­si­tion éner­gé­tique et parce que la demande aug­mente à l’échelle mon­diale. C’est à nous, acteurs de la recherche, de la R&D et de la tech­no­lo­gie, de répondre à cette demande, notam­ment avec de nou­velles archi­tec­tures, de maté­riaux pho­to­vol­taïques effi­caces et de nou­veaux pro­cé­dés de fabrication.

Une crois­sance aus­si rapide est d’au­tant plus éton­nante parce qu’elle s’est pro­duite sans véri­table chan­ge­ment fon­da­men­tal de la tech­no­lo­gie pho­to­vol­taïque (PV) elle-même. En effet, les cel­lules solaires d’au­jourd’­hui res­tent simi­laires à celle démon­trée aux Labo­ra­toires Bell, aux États-Unis, en 1954. Cette cel­lule com­pre­nait une simple jonc­tion entre du sili­cium de ‘type n’ (riche en élec­trons) et de ‘type p’ (pauvre en élec­trons) et conver­tis­sait la lumière du soleil en élec­tri­ci­té avec un ren­de­ment de 5 %.

Au fil des ans, ce chiffre a pro­gres­si­ve­ment aug­men­té pour atteindre plus de 25 % de nos jours, grâce à des cel­lules plus avan­cées conte­nant du sili­cium hau­te­ment dopé, des contacts élec­triques per­fec­tion­nés et de couches anti­re­flets. Les dis­po­si­tifs à base de sili­cium sont désor­mais moins chers aus­si : le prix moyen des modules est d’en­vi­ron 0,21 $/Wp et le LCOE (leve­li­zed cost of ener­gy) de 2,8–6,8 cents/kWh (AC). Selon le Rap­port ITRPV 2020², ces chiffres vont aller en s’améliorant, avec un LCOE atten­du en 2031 de 2–5 cents/kWh. Ces avan­cées impres­sion­nantes, et le fait que les cel­lules puissent fonc­tion­ner pen­dant plus de 25 ans, sont les rai­sons pour les­quelles cette tech­no­lo­gie repré­sente ~95 % du mar­ché solaire mon­dial à pré­sent. Les nou­veaux maté­riaux peuvent faire davan­tage croître cette part.

Afin de per­mettre des usages alter­na­tifs du PV tels que le BI-PV (Buil­ding-Inte­gra­ted PV) ou répondre à la demande en capa­ci­té de pro­duc­tion gran­dis­sante, le sili­cium (Si) seul ne suf­fit plus. Pour­tant, la tech­no­lo­gie Si est si per­for­mante et si peu coû­teuse que sa marge de pro­grès devient limi­tée. Une stra­té­gie pour la dépas­ser : déve­lop­per des cel­lules PV à ren­de­ment de conver­sion de puis­sance encore plus éle­vé, c’est-à-dire celles qui conver­tissent une frac­tion plus grande de la lumière solaire en électricité.

Pour ce faire, nous sommes à la recherche des maté­riaux alter­na­tifs. Des films minces basés sur des com­po­sés tels que le tel­lu­rure de cad­mium (CdTe) et le sélé­niure de cuivre, d’in­dium et de gal­lium (CIGS), par exemple, sont déjà dis­po­nibles dans le com­merce. Ces maté­riaux n’ont pas besoin d’être très épais – quelques microns suf­fisent pour qu’ils absorbent suf­fi­sam­ment de lumière. Ils n’ont pas besoin non plus d’être de haute qua­li­té (contrai­re­ment au Si tra­di­tion­nel). Les pan­neaux fabri­qués à par­tir de ces maté­riaux peuvent même être flexibles.

Un pro­blème se pose tou­te­fois : ces maté­riaux PV reposent sur l’in­dium et le tel­lure, qui sont des élé­ments rares et donc chers.

Dans leur quête de maté­riaux absor­bants plus acces­sibles, les cher­cheurs se sont tour­nés, ces der­nières années, vers les pérovs­kites, de maté­riaux cris­tal­lins pro­met­teurs pour les cel­lules solaires en couches minces capables d’absorber la lumière sur une large gamme de lon­gueurs d’onde du spectre solaire. Leur ren­de­ment est désor­mais supé­rieur à 18 %, ce qui les amène à un pied d’é­ga­li­té avec des maté­riaux de cel­lules solaires bien éta­blis, même si leur sta­bi­li­té doit être améliorée. 

Une autre option : les dis­po­si­tifs ‘tan­dem’, les cel­lules solaires conte­nant deux maté­riaux semi-conduc­teurs pho­toac­tifs dif­fé­rents, mais com­plé­men­taires. Ces cel­lules peuvent atteindre des ren­de­ments plus éle­vés lorsque ces maté­riaux sont uti­li­sés conjoin­te­ment, par rap­port à l’un ou l’autre seul (effi­ca­ci­té maxi­male de conver­sion théo­rique passe de 33 à 45%). Com­bi­ner du Si avec une pérovs­kite³, par exemple, peut tirer le meilleur par­ti des dif­fé­rentes lon­gueurs d’onde de la lumière du soleil : le sili­cium conver­tit effi­ca­ce­ment les pho­tons dans la gamme infra­rouge et les pérovs­kites les pho­tons d’énergie plus élevée.

On peut aller encore plus loin et empi­ler plu­sieurs maté­riaux semi-conduc­teurs pho­toac­tifs en choi­sis­sant soi­gneu­se­ment la com­bi­nai­son qui per­met de cap­ter au mieux le rayon­ne­ment solaire. Ces dis­po­si­tifs à maté­riaux mul­tiples sont appe­lés ‘cel­lules à jonc­tions mul­tiples’⁴ et sont prin­ci­pa­le­ment basés sur les maté­riaux dits III‑V (type GaAs).

Il n’est cepen­dant pas aisé de fabri­quer de tels dis­po­si­tifs. Une cel­lule solaire, quel que soit son archi­tec­ture, est com­po­sée de dif­fé­rentes couches de maté­riaux. Cha­cune a un rôle cru­cial à jouer : outre le maté­riau pho­toac­tif qui absorbe la lumière, il faut des couches qui col­lectent les élec­trons, des couches trans­pa­rentes aux pho­tons, des revê­te­ments contre l’humidité,… Pour fabri­quer une cel­lule solaire effi­cace, chaque couche doit rem­plir un cahier des charges strict et être assem­blé avec une extrême précision.

C’est dans ce pro­ces­sus que réside notre exper­tise. Nous syn­thé­ti­sons des couches minces de maté­riaux pour les cel­lules pho­to­vol­taïques en uti­li­sant une tech­nique lar­ge­ment employée dans l’industrie de la micro­élec­tro­nique appe­lée ALD (Ato­mic Layer Depo­si­tion, ou dépôt par couche ato­mique)⁵. Ici, la sur­face d’un sub­strat est expo­sée suc­ces­si­ve­ment à un com­po­sé, appe­lé pré­cur­seur, qui réagit avec le sub­strat, s’y fixe et forme une mono­couche ato­mique. La crois­sance se pour­suit en expo­sant cette couche à une molé­cule com­plé­men­taire pour construire la struc­ture entière mono­couche par mono­couche. Cette tech­nique nous per­met de réa­li­ser de couches de seule­ment 2 à 100 nano­mètres d’épaisseur.

Cepen­dant, toutes les molé­cules ne conviennent pas à l’ALD. Dans notre labo­ra­toire, nous essayons de com­prendre quelles molé­cules sont les mieux adap­tées et celles qui ne le sont pas, com­ment elles se com­portent à la sur­face d’un sub­strat et quelles pro­prié­tés phy­siques et élec­tro­niques elles apportent au maté­riau final.

Bien que nous ayons de nom­breux choix en ce qui concerne les dif­fé­rents maté­riaux pho­to­vol­taïques dis­po­nibles et en cours de déve­lop­pe­ment, il est dif­fi­cile de pré­dire les­quels gagne­ront la course. Il se peut que plu­sieurs tech­no­lo­gies com­plé­men­taires simi­laires coexistent, les dif­fé­rents maté­riaux trou­vant des appli­ca­tions dif­fé­rentes. Le sili­cium, com­bi­né à un second maté­riau pho­toac­tif, pour­rait demeu­rer le maté­riau de pré­di­lec­tion pour les pan­neaux rigides, et les films minces pour les bâti­ments ou les objets. Quoi que l’a­ve­nir nous réserve, nous sommes à l’aube d’une véri­table ‘révo­lu­tion maté­rielle’ pour la tech­no­lo­gie des cel­lules solaires.