Photovoltaïque : de nouveaux matériaux pour un meilleur rendement

La tech­no­lo­gie solaire pho­to­vol­taïque (PV) a connu une crois­sance qua­si-expo­nen­tielle au cours des 15 der­nières années, et son coût entre désor­mais en com­pé­ti­tion face aux com­bus­tibles fos­siles. Fait remar­quable, la tech­no­lo­gie sous-jacente est res­tée pra­ti­que­ment inchan­gée depuis sa mise au point aux Labo­ra­toires Bell en 1954. En effet, les cel­lules solaires modernes sont tou­jours basées sur une simple jonc­tion entre du sili­cium de type « n » (riche en élec­trons) et du sili­cium de type « p » (riche en trous). Les pre­mières cel­lules solaires conver­tis­saient la lumière du soleil en élec­tri­ci­té avec un ren­de­ment d’environ 5 %, un chiffre qui est pas­sé à plus de 25 % ces der­nières années grâce à une concep­tion plus abou­tie des cel­lules, notam­ment par l’a­jout de sili­cium hau­te­ment dopé et de couches antireflets. 

Bien que le sili­cium repré­sente encore envi­ron 95 % du mar­ché mon­dial de l’éner­gie solaire, il pré­sente un incon­vé­nient majeur : il n’ab­sorbe pas très bien la lumière. Il néces­site ain­si de grandes épais­seurs de maté­riau – de l’ordre de cen­taines de microns. Étant don­né qu’il s’a­git d’une grande dis­tance à par­cou­rir pour les élec­trons, le sili­cium de qua­li­té PV doit être hau­te­ment cris­tal­lin et très pur pour que les charges puissent pas­ser effi­ca­ce­ment. Or, la fabri­ca­tion d’un tel maté­riau est com­plexe et donc coûteuse. 

Afin de réduire les coûts de pro­duc­tion et la quan­ti­té de maté­riau néces­saire, les cher­cheurs s’in­té­ressent depuis long­temps aux maté­riaux alter­na­tifs. Mon équipe se concentre sur la tech­no­lo­gie des cel­lules solaires à couches minces – appe­lées ain­si parce qu’elles ne doivent avoir que quelques microns d’é­pais­seur pour une absorp­tion optique suf­fi­sante. Des maté­riaux de moindre qua­li­té et de moindre pure­té sont éga­le­ment accep­tables et peuvent être fabri­qués grâce à des méthodes de dépôt rapide : l’é­va­po­ra­tion, la pul­vé­ri­sa­tion directe sur verre ou le dépôt en phase vapeur assis­té par plas­ma (PECVD). Ces maté­riaux, qui com­prennent le sili­cium amorphe hydro­gé­né, le tel­lu­rure de cad­mium (CdTe) et le sélé­niure de cuivre, d’in­dium et de gal­lium (CuIn1-xGax­Se2, ou CIGS pour faire court), sont des cel­lules très effi­caces et peuvent être créées sur tout type de substrat.

Le ren­de­ment des cel­lules solaires qui conver­tis­saient la lumière du soleil en élec­tri­ci­té a aug­men­té de 5 % à 25 % ces der­nières années.

Aujourd’­hui, la méthode clas­sique de fabri­ca­tion de pla­quettes de sili­cium cris­tal­lin consiste à éti­rer des lin­gots puis à les décou­per en tranches d’environ 180 µm d’épaisseur. Nous nous effor­çons d’introduire une rup­ture dans le mode d’obtention du sili­cium cris­tal­lin en uti­li­sant de nou­velles tech­niques de crois­sance qui reposent sur des pro­ces­sus PECVD à basse tem­pé­ra­ture – c’est-à-dire entre 150 et 300 degrés Cel­sius. Nous uti­li­sons éga­le­ment cette tech­nique pour fabri­quer des maté­riaux « III‑V » qui, bien que lar­ge­ment uti­li­sés en opto­élec­tro­nique, sont envi­ron 100 fois plus chers que le sili­cium cris­tal­lin. Or dans le monde du pho­to­vol­taïque, il faut réduire les coûts pour pou­voir concur­ren­cer le sili­cium cristallin.

Les méthodes stan­dard pour créer de maté­riaux III‑V sont l’épitaxie par jets molé­cu­laires (« MBE » en anglais) et la décom­po­si­tion chi­mique en phase vapeur de pré­cur­seurs orga­no­mé­tal­liques (MOCVD). Ces méthodes de crois­sance épi­taxiales requièrent des envi­ron­ne­ments sous ultra­vide pour la MBE et des tem­pé­ra­tures éle­vées (700–1 000 °C) pour la MOCVD, ce qui les rend coû­teuses. Les pro­cé­dés de dépôt par plas­ma que nous déve­lop­pons au LPICMt en col­la­bo­ra­tion avec l’Ins­ti­tut pho­to­vol­taïque d’Ile de France (IPVF) visent à réduire ce coût. C’est l’une des der­nières variables que nous maî­tri­sons, car les com­po­sés III‑V sont déjà au maxi­mum de leur effi­ca­ci­té lors­qu’il s’agit de conver­tir le rayon­ne­ment solaire en électricité. 

Les pérovs­kites consti­tuent une autre classe de maté­riaux sur laquelle nous tra­vaillons. Ce sont de maté­riaux cris­tal­lins de struc­ture ABX3, où A est le césium, le méthy­lam­mo­nium (MA) ou le for­ma­mi­di­nium (FA), B le plomb ou l’é­tain et X le chlore, le brome ou l’iode. Ce sont des can­di­dates pro­met­teuses pour les cel­lules solaires à couches minces car elles peuvent absor­ber la lumière sur une large gamme de lon­gueurs d’onde du spectre solaire grâce à leurs bandes inter­dites élec­tro­niques réglables¹. Les por­teurs de charge (élec­trons et trous) peuvent éga­le­ment s’y dif­fu­ser rapi­de­ment et sur de longues dis­tances. Ces pro­prié­tés confèrent aux cel­lules solaires en pérovs­kite un ren­de­ment de conver­sion d’énergie de plus de 25 %, ce qui place leurs per­for­mances au même niveau que les maté­riaux de cel­lules solaires éta­blis tels que le sili­cium, l’ar­sé­niure de gal­lium et le tel­lu­rure de cadmium.

Si nous savons com­ment les fabri­quer à faible coût et à haut ren­de­ment, le pro­blème tient au fait que les pérovs­kites pré­sentent des défauts de sur­face natu­rels et sont sujettes à des modi­fi­ca­tions struc­tu­relles, connues sous le nom de migra­tion ionique. Ces deux fac­teurs ont ten­dance à rendre les films de pérovs­kite instables, et ces insta­bi­li­tés deviennent encore plus pro­non­cées en pré­sence d’humidité, avec des tem­pé­ra­tures plus éle­vées. Pour amé­lio­rer leur sta­bi­li­té, nous devons com­prendre ces maté­riaux et les inter­faces entre les dif­fé­rents consti­tuants qui com­posent la cel­lule solaire.

Ce sera un défi, mais il en vaut la peine, car les pérovs­kites sont très poly­va­lentes : leurs pro­prié­tés opto­élec­tro­niques peuvent être mani­pu­lées assez faci­le­ment par une simple modi­fi­ca­tion chi­mique. Grâce à leurs incroyable capa­ci­té d’absorption de la lumière, elles peuvent être uti­li­sées non seule­ment dans les cel­lules solaires, mais aus­si dans les diodes élec­tro­lu­mi­nes­centes et encore d’autres appli­ca­tions élec­tro­niques. La recherche sur les pérovs­kites explose et des mil­liers d’é­tudes sont publiées chaque année.

La ques­tion sui­vante est : com­ment aller au-delà de nos ren­de­ments actuels ? Si l’op­ti­mi­sa­tion des maté­riaux et des inter­faces est cru­ciale, nous avons éga­le­ment la pos­si­bi­li­té d’a­jou­ter des pérovs­kites aux tech­no­lo­gies de cel­lules solaires éta­blies (telles que le sili­cium) pour construire ce que l’on appelle des cel­lules solaires en tan­dem. Il s’agit du domaine de recherche pri­vi­lé­gié à l’IPVF et d’un moyen extrê­me­ment inté­res­sant d’aug­men­ter l’ef­fi­ca­ci­té glo­bale du dis­po­si­tif final. Les cel­lules uni­que­ment en sili­cium et les cel­lules uni­que­ment en pérovs­kite peuvent toutes les deux atteindre des ren­de­ments de 26 %, mais si vous les met­tez ensemble, vous pou­vez pous­ser le ren­de­ment à une valeur plus éle­vée (au-delà de 30 %). Et des ren­de­ments plus éle­vés peuvent signi­fier, par exemple, que vous devez cou­vrir une plus petite sur­face avec votre pan­neau pho­to­vol­taïque pour obte­nir la même pro­duc­tion d’énergie – en d’autres termes, cela coûte moins cher. 

Les cel­lules uni­que­ment en sili­cium ou en pérovs­kite peuvent atteindre des ren­de­ments de 26 %, mais, ensemble, le ren­de­ment peut dépas­ser les 30 %.

Quels sont donc les meilleurs maté­riaux ? La réponse à cette ques­tion n’est pas évi­dente, mais si nous résol­vons le pro­blème de la sta­bi­li­té des pérovs­kites, elles semblent les maté­riaux les plus pro­met­teurs. Deuxiè­me­ment, les III‑V sont inté­res­sants, mais nous devons réduire leur coût. Pour faire face au chan­ge­ment cli­ma­tique, notre défi est de déve­lop­per des téra­watts de pan­neaux pho­to­vol­taïques, ce qui implique de fabri­quer de grandes quan­ti­tés de pan­neaux pho­to­vol­taïques dont l’installation requiert de grandes sur­faces. Aug­men­ter leur ren­de­ment tout en dimi­nuant l’épaisseur des cel­lules est la meilleure façon de réduire la pres­sion sur les ressources.

Il y a éga­le­ment d’autres pro­blèmes à résoudre, comme le recy­clage des maté­riaux pho­to­vol­taïques et leur main­tien en état de pro­pre­té pour qu’ils conti­nuent à absor­ber effi­ca­ce­ment le rayon­ne­ment solaire. Nous tra­vaillons sur l’écoconception des cel­lules solaires, que nous pour­rions recy­cler tout en récu­pé­rant les maté­riaux consti­tu­tifs, car les cen­trales pho­to­vol­taïques sont effec­ti­ve­ment des « mines » de métaux pré­cieux. Nous avons éga­le­ment le pro­blème du plomb conte­nu dans les pérovs­kites, qui est toxique et qui pour­rait s’é­chap­per en cas d’i­non­da­tion ou d’in­cen­die. Cet aspect de la tech­no­lo­gie PV est un sujet de recherche en soi et fera peut-être le sujet d’un pro­chain article.

Propos recueillis par Isabelle Dumé

Pour aller plus loin :

• https://​www​.scien​ce​di​rect​.com/​s​c​i​e​n​c​e​/​a​r​t​i​c​l​e​/​a​b​s​/​p​i​i​/​S​0​9​2​7​0​2​4​8​2​1​0​05717
• https://​onli​ne​li​bra​ry​.wiley​.com/​d​o​i​/​1​0​.​1​0​0​2​/​p​i​p​.2762
• https://www.canal‑u.tv/chaines/rpf/plasmas-complexes-de-silane-pour-le-depot-de-couches-minces-progres-et-defis
• https://​www​.ipvf​.fr/fr/