Le mois dernier, un chercheur du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) de Golden, dans le Colorado, a placé une cellule solaire de la taille d'un timbre-poste sur un plateau, puis l'a exposée à un simulateur solaire à impulsions de haute intensité. Le simulateur a émis une impulsion lumineuse de 2.5 millisecondes, et 19 miroirs ont réfléchi les photons vers la cellule. Pendant quelques millisecondes supplémentaires, les données ont transité par un réseau de câbles jusqu'aux ordinateurs du NREL. Les chercheurs ont ensuite traité et corrigé les données, et Keith Emery, responsable des performances du dispositif, les a validées : un nouveau record mondial d'efficacité photovoltaïque solaire venait d'être établi.

Dans le monde hautement technique et à forts enjeux du photovoltaïque, le rendement se mesure au pourcentage d'énergie solaire brute convertie en électricité par cellule. Son laboratoire étant le seul aux États-Unis certifié par la Commission électrotechnique internationale pour tester l'efficacité des cellules solaires, Emery fait office de référence officieuse en la matière.

Nous vivons une véritable renaissance de la recherche photovoltaïque, où l'innovation constante améliore le rendement de tous les types de cellules solaires : des cellules classiques en silicium cristallin aux cellules en couches minces de tellurure de cadmium, en passant par les nouvelles découvertes très médiatisées comme les cellules pérovskites. Les records du monde tombent à un rythme effréné, et les chercheurs à l'origine de ce dernier record savent qu'il ne faut pas s'attarder trop longtemps sur les succès.

Le Saint Graal du solaire : la parité réseau

Quasiment tous les acteurs du secteur photovoltaïque — même ceux qui se sentent dépassés par les dernières innovations — s'accordent à dire que cette course à l'innovation est une excellente chose. Pour l'industrie solaire, les indices d'efficacité représentent bien plus qu'un simple argument de vente ou un argument de poids pour les demandes de subventions de recherche. Ils sont essentiels pour se rapprocher de la « parité réseau », ce moment où le coût de l'électricité produite par les panneaux photovoltaïques est égal ou inférieur à celui de l'électricité produite par les centrales au charbon et au gaz naturel.

« La mise au point de cellules solaires à très haut rendement permet de réaliser des économies à tous les niveaux », explique John Rogers, physicien à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign et figure de proue reconnue de la recherche photovoltaïque. « On réduit le nombre de modules à fabriquer, les coûts d’installation et de maintenance, ainsi que la surface de terrain nécessaire. »

Dans le secteur de l'énergie solaire, on considère généralement que le photovoltaïque pourra concurrencer directement le charbon et le gaz naturel lorsque son coût de production d'électricité atteindra 1 dollar par watt. « L'hypothèse fondamentale est que lorsqu'une technologie atteint la parité réseau, son acceptation est bien meilleure », explique Ramamoorthy Ramesh, directeur fondateur de l' Programme SunShot du département de l'Énergie des États-Unis, lancée en 2011 avec pour mission de réduire le coût de l'énergie solaire afin d'égaler, voire de surpasser, le coût de l'électricité produite à partir de combustibles fossiles.

Dans le secteur de l'énergie solaire, on considère généralement que le photovoltaïque pourra concurrencer directement le charbon et le gaz naturel lorsque son coût de production d'électricité atteindra 1 dollar par watt. Au lancement de SunShot, le coût de l'électricité solaire photovoltaïque était de 5 dollars par watt. Trois ans plus tard, Ramesh indique que ce coût a déjà chuté à environ 2.80 dollars par watt.

La plupart des économies les plus faciles à réaliser ont déjà été effectuées, et la surabondance de panneaux solaires chinois a largement contribué à rendre l'énergie solaire plus abordable. Pour réduire encore le coût de 1.80 $, il sera essentiel de produire des cellules plus performantes et de transposer ces découvertes du laboratoire à l'usage réel.

« Avec le photovoltaïque, nous savons ce qu’il faut faire », explique Ramesh. « Il nous faut réduire les coûts de fabrication et améliorer l’efficacité. »

L'énergie solaire offre de nombreuses possibilités d'efficacité

Les possibilités d'améliorer l'efficacité sont nombreuses. Un axe de recherche important concerne les matériaux semi-conducteurs utilisés pour capter l'énergie lumineuse et la convertir en courant. Chaque matériau semi-conducteur présente des avantages et des limitations spécifiques en termes d'efficacité, généralement parce qu'il absorbe mieux une certaine partie du spectre lumineux naturel ; la recherche de matériaux plus performants est donc constante.

Afin d'optimiser le rendement, les ingénieurs travaillent sans cesse à améliorer chaque aspect de ces cellules microscopiques. D'autres facteurs influent également sur le rendement final d'une cellule : la dégradation du matériau semi-conducteur au fil du temps, l'absorption du courant par l'architecture de la cellule, et la capacité des électrodes à capter le courant produit par le semi-conducteur et à le convertir en électricité. Pour ce faire, ils modifient constamment la chimie et la conception de ces cellules microscopiques, afin d'obtenir le courant et la tension les plus performants.

En raison des rendements potentiels variables selon les matériaux et les conceptions, le rendement record d'une cellule photovoltaïque peut être bien supérieur à celui d'une autre. Les meilleures cellules solaires à couches minces au monde atteignent un rendement maximal d'environ 23 %, tandis que les meilleures cellules à base de silicium atteignent environ 26 % et les meilleures cellules multijonctions (qui utilisent un assortiment de semi-conducteurs empilés) dépassent les 44 %.

Cependant, les cellules multijonctions sont beaucoup plus coûteuses à produire et ne peuvent pas être utilisées à grande échelle sur les toits. Par conséquent, une cellule en silicium affichant un rendement supérieur à 25 % est tout aussi prometteuse qu'une cellule multijonction dépassant les 40 %.

Peut-on s'attendre à des augmentations continues du rendement solaire ?

Quand on imagine un panneau solaire – sur un toit ou dans une vaste centrale photovoltaïque – on pense souvent à du silicium cristallin. Depuis des décennies, le silicium est le matériau de base du photovoltaïque dans le monde entier, de loin le semi-conducteur le plus utilisé pour les cellules solaires. « Le silicium représente environ 80 à 90 % du marché depuis une vingtaine d'années », explique Sarah Kurtz, responsable du groupe Fiabilité au NREL.

Au cours de ces décennies, le rendement des cellules au silicium a progressé régulièrement, mais lentement, et l'opinion générale était qu'il était impossible d'en tirer beaucoup plus d'efficacité. Jusqu'à récemment.

TetraSun, une jeune entreprise spécialisée dans les semi-conducteurs, fait sensation auprès des chercheurs du NREL et suscite l'ire de ses concurrents. En bousculant certaines conventions du secteur, TetraSun a atteint un rendement de 21 % en seulement 18 mois. Si cela peut paraître peu, ce résultat surpasse déjà largement les cellules photovoltaïques classiques sérigraphiées, de loin les plus répandues sur les toits.

Une partie du secret de TetraSun réside dans le dopage, une pratique courante chez certains athlètes de haut niveau. Toutes les plaquettes de silicium sont dopées (traitées chimiquement), mais les cellules dites « de type N » de TetraSun sont dopées au phosphore. Ce dopage empêche les cellules de subir la dégradation photochimique qui affecte les plaquettes « de type P » classiques dopées au bore, contribuant ainsi à maintenir un rendement élevé plus longtemps. 

Ces efforts visant à substituer des matériaux moins coûteux à des composants onéreux deviennent de plus en plus importants à mesure que les entreprises cherchent à construire des installations photovoltaïques solaires de plus grande envergure.

Les cellules de type N de TetraSun sont également double face et bénéficient d'une architecture ingénieuse permettant au semi-conducteur de capter la lumière solaire indirecte réfléchie par la face inférieure du module. De plus, TetraSun a remplacé la grille argentée qui tapisse la face avant d'un panneau photovoltaïque en silicium classique, canalisant le courant électrique de la cellule, par des électrodes en cuivre. La tâche n'a pas été simple : pendant des mois, les ingénieurs de TetraSun ont collaboré avec des experts du NREL pour maîtriser le cuivre, un matériau particulièrement difficile à travailler. Finalement, le cuivre a pris forme, les lignes de la grille ayant une épaisseur vingt-cinquième de celle d'un cheveu.

Ces efforts visant à substituer des matériaux moins coûteux à des composants onéreux prennent une importance croissante à mesure que les entreprises cherchent à construire des installations photovoltaïques solaires de plus grande envergure, explique Mowafak Al-Jassim, superviseur de la microscopie analytique au NREL. a déclaré à SolarReviews novembre dernier.

Depuis février, les panneaux équipés de cellules à revêtement de cuivre de TetraSun captent le rayonnement solaire sur les toits de clients payants. L'entreprise a été rachetée par First Solar, un acteur majeur du solaire commercial, qui a immédiatement commercialisé le produit TetraSun comme première gamme de panneaux pour toitures.

Une étoile montante potentielle : les cellules solaires pérovskites

Si les chercheurs travaillant sur le silicium tentent d'apprendre de nouvelles choses à un vieux chien, un nouveau matériau solaire appelé pérovskite est une nouvelle race canine exotique qui fait sensation et laisse les spectateurs bouche bée. Les cellules en pérovskite (nommées d'après un minéral trouvé dans les monts Oural) affichent des rendements jamais atteints auparavant dans le monde du photovoltaïque.

Ce n'est qu'en 2009 que la pérovskite a été envisagée comme semi-conducteur pour les cellules solaires. À cette époque, un scientifique japonais menant des expériences avec ce matériau a obtenu un rendement de 3.8 %. Le mois dernier, une équipe de l'Université de Californie à Los Angeles a annoncé un rendement de 19.3 %.

Les cellules pérovskites « sont une variante des cellules à colorant, sur lesquelles on travaille depuis un certain temps », explique Kurtz, en faisant référence à une nouvelle génération de cellules qui remplace les plaquettes de semi-conducteurs à l'état solide par des colorants organiques absorbant la lumière. « L'année dernière seulement, les chercheurs ont mis au point une combinaison de matériaux permettant d'obtenir un rendement supérieur. » Et depuis, leur développement est fulgurant.

Le principal avantage de la pérovskite réside dans sa facilité de mise en œuvre. Elle peut être cultivée en milieu liquide et déposée par simple impression sur un support, ce qui permet une production de cellules solaires simple et économique, facilement transposable des laboratoires de recherche de pointe aux usines.

Un problème se pose : les cellules pérovskites les plus performantes sont mélangées à du plomb, un matériau qui peut convenir dans le cadre sécurisé d’un laboratoire, mais que personne n’envisagera d’installer sur les toits. Or, au cours du mois dernier, deux équipes de recherche distinctes ont publié des résultats prometteurs concernant des expériences préliminaires utilisant de l’étain dans la pérovskite. L’étain est non seulement plus sûr et plus respectueux de l’environnement que le plomb, mais il est aussi beaucoup moins cher.

« L’étain est un matériau très prometteur, et nous avons démontré qu’il fonctionne parfaitement comme cellule solaire efficace », a déclaré Mercouri Kanatzidis, chimiste à l’Université Northwestern. déclaration le mois dernier annonçant les résultats de son équipe : « L’étain et le plomb appartiennent au même groupe du tableau périodique, nous nous attendons donc à des résultats similaires. »

Le succès des cellules solaires à pérovskite reste bien sûr une question ouverte. Leur viabilité reste à démontrer dans des modules en verre et en métal, et le domaine est encore trop récent pour évaluer leur durabilité.

L'empilement des cellules est une autre avancée majeure.

Pour Rogers, l'empilement de cellules est la solution pour dépasser les limites d'efficacité des cellules photovoltaïques traditionnelles. Selon Rogers, tout matériau de cellule solaire donné (comme le silicium ou le tellurure de cadmium, la forme la plus courante de couche mince) absorbe efficacement une portion limitée du spectre lumineux solaire. Cependant, comme elles ne sont sensibles qu'à ces longueurs d'onde, toutes les cellules solaires de base ont une limite théorique. (Celle du silicium cristallin est d'environ 29 %, connue dans le domaine sous le nom de limite de Shockley-Queisser.)

La stratégie de Rogers consiste à empiler différents matériaux, chaque couche captant une portion différente du spectre lumineux. « Pour améliorer l'efficacité, il faut concevoir des cellules solaires capables de fonctionner sur toute la gamme spectrale associée aux photons entrants du soleil, et c'est une gamme assez large », explique Rogers.

La stratégie de Rogers consiste à superposer différents matériaux, chaque couche captant une portion différente du spectre lumineux. « On peut concevoir une cellule solaire très performante dans le vert mais peu performante dans le rouge », explique-t-il, « puis y superposer une autre cellule optimisée pour fonctionner efficacement dans le rouge. »

Les empilements de semi-conducteurs ainsi obtenus sont minuscules — moins d'un millimètre carré chacun — mais le panneau de verre qui les recouvre contient des lentilles qui concentrent la lumière du soleil directement sur chaque empilement, à la manière d'un enfant qui brûle un insecte avec une loupe. Chaque rayon de lumière qui frappe le panneau atteint un minuscule empilement de cellules.

Cette prouesse de micro-ingénierie — qui, pour simplifier à l'extrême, consiste à faire croître chaque couche sur un substrat différent, à graver les cellules souhaitées, à « imprimer » les semi-conducteurs sur la cellule elle-même, puis à les empiler sur quatre couches — fonctionne bel et bien. L'équipe de Rogers vient d'annoncer qu'une cellule à quatre couches a atteint en laboratoire un rendement de 42.5 %.

Rogers collabore désormais avec Semprius, une entreprise de Caroline du Nord, pour intégrer des cellules multijonctions comme les siennes dans des modules prêts à l'emploi. Malgré tous les composants nécessaires, les modules Semprius atteignent un rendement de 35 %, ce qui représente « sans conteste le module le plus performant du marché », affirme Rogers. « Il n'y a pas photo. »

Les particuliers ne passeront probablement pas commande chez Semprius, car ces modules ne sont pas destinés aux toitures. « Ils sont particulièrement adaptés aux centrales solaires de grande envergure, ou on peut imaginer leur installation dans des zones industrielles et des centres de données. On parle ici de production d'électricité à très bas coût et à grande échelle », explique Rogers.

Un coût suffisamment bas pour atteindre la parité réseau ? Siemens, le géant allemand du solaire, le pense. L’entreprise a investi très tôt dans Semprius, et Rogers qualifie son évaluation de la technologie de « très encourageante ».

« Ils ont examiné la situation et ont dit que cela pourrait être moins cher que le charbon. »

Et pourtant, fidèle à l'esprit de la recherche pour des cellules photovoltaïques plus performantes, l'histoire ne s'arrête pas là : de retour au laboratoire, Rogers explique qu'avec quelques ajustements mineurs, son équipe parviendra à dépasser les 50 % d'efficacité. « Nous pouvons aller très loin sans autre percée majeure. »

Restez à l'écoute.

Cet article a paru sur Ensia

À propos de l’auteur

Ben Jervey est un rédacteur et éditeur spécialisé dans le climat, l'énergie et l'environnement. Il écrit régulièrement pour National Geographic News, Sur Terre et DeSmogBlogIl a récemment collaboré avec Focus the Nation à la publication d'un Introduction à l'énergiePassionné de vélo, Ben a parcouru les États-Unis et une grande partie de l'Europe à vélo.

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