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Photovoltaïque : les promesses des nouveaux matériaux

Nathanaelle Schneider
Nathanaëlle Schneider
chargée de recherche CNRS au sein du laboratoire de l’Institut Photovoltaïque d’Ile-de-France (IPVF)

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 rapide

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.

À la recherche des matériaux alternatifs

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.

Les pérovskites et les cellules solaires tandem

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.

Dépôt par couche atomique

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.

Propos recueillis par Isabelle Dumé
1https://​www​.iea​.org/​r​e​p​o​r​t​s​/​s​o​l​ar-pv
2https://​itr​pv​.vdma​.org/
3https://​www​.sci​ence​.org/​d​o​i​/​1​0​.​1​1​2​6​/​s​c​i​e​n​c​e​.​a​b​d4016
4https://​aip​.sci​ta​tion​.org/​d​o​i​/​1​0​.​1​0​6​3​/​5​.​0​0​48653
5https://​pubs​.rsc​.org/​e​n​/​c​o​n​t​e​n​t​/​a​r​t​i​c​l​e​l​a​n​d​i​n​g​/​2​0​1​7​/​m​h​/​c​6​m​h​0​0​5​2​1​g​/​u​nauth

Auteurs

Nathanaelle Schneider

Nathanaëlle Schneider

chargée de recherche CNRS au sein du laboratoire de l’Institut Photovoltaïque d’Ile-de-France (IPVF)

Nathanaëlle Schneider travaille sur la synthèse de nouveaux matériaux par ALD (Atomic Layer Deposition) pour des applications photovoltaïques. Utilisant en particulier les apports de la chimie de coordination, ses recherches ont donné lieu à de nouvelles approches méthodologiques pour la conception de précurseurs ALD, de solutions matériaux pour certains dispositifs photovoltaïques et de nouveaux matériaux fonctionnels pour lesquels l'UMR-IPVF est désormais un pionnier mondial reconnu. En 2020, la médaille de bronze du CNRS lui est décernée.