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Les grands axes de la recherche dans l’énergie solaire photovoltaïque

dimanche 16 septembre 2012, par L’Heliopole

Introduction

La viabilité de l’énergie photovoltaïque (PV) est mesurée par le coût final du kilowattheure d’électricité produit, qui dépend de plusieurs facteurs, dont les effets d’échelle, sur lesquels la recherche n’agit pas directement. Pour évaluer l’avancée du domaine du point de vue de la recherche, le rendement de conversion est la notion clé, il mesure l’énergie électrique produite par quantité d’énergie solaire reçue, en pourcentage. Comme la lumière reçue l’est du soleil, et que le soleil n’envoie pas la même puissance selon la longueur d’onde de la lumière (autrement dit la couleur) la définition exacte de la lumière prise comme référence est primordiale. Cette définition a été récemment revueL [1], et cette révision a permis d’affiner certains rendements. Ces derniers sont en effet en constante évolution, l’énergie photovoltaïque exploitant des phénomènes et matériaux proches de ceux qui existent à la fois en électronique, mais aussi dans diverses formes de micro et nanosciences, en particulier la photonique et l’information quantique. C’est ce qui permet de penser que des ruptures technologiques importantes sont encore à venir.

Principe

La conversion photovoltaïque de l’énergie s’appuie sur un phénomène a priori simple : l’absorption par un matériau solide d’un photon. Le passage de l’énergie de ce photon vers les atomes du solide se traduit par l’excitation d’un électron (charge negative) qui s’échappe du voisinage d’un atome, et laisse derrière lui un vide simplement appelé trou (charge positive). Cette « paire électron-trou » constitue la base de ce qui deviendra courant électrique, soit le déplacement à travers un circuit de charges négatives (des électrons) et de charges positives (dans notre cas des trous) chacune dans un sens. Dans ces quelques explications résident déjà les obstacles à surmonter pour optimiser au maximum la conversion photovoltaïque (lumière-électricité) de l’énergie : la conversion se fera d’autant mieux que le matériau est absorbant, et le courant récolté sera d’autant plus important que les charges créées seront récupérables. Pour créer des charges récupérables, il faut tout d’abord utiliser des matériaux de la famille des semi-conducteurs : ils ne sont pas isolants et permettent donc l’apparition de charges libres, mais d’un autre côté, ils ne sont pas parfaitement conducteurs, et ces charges vont donc « vivre » suffisamment longtemps dans le matériau (quelques nanosecondes en général) pour être récupérées. La collecte se fait par l’application d’un champ électrique entre les surfaces supérieure et inférieure de la couche absorbante. Ce champ se fait grâce à la fabrication du matériau absorbant en deux couches successives : la première chargée négativement (on dit alors dopé n) la deuxième positivement (dopée p). L’absorption de la lumière est possible dans un matériau si les niveaux d’énergies accessibles (donnés par le gap du matériau) aux charges sont à des énergies inférieures à l’énergie portée par les photons.

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Différentes techniques son utilisées pour améliorer le rendement : elles se focalisent soit sur la collection et l’absorption de la lumière, soit sur la récupération des charges. Pour les filières déjà industrialisées, beaucoup de travail se fait sur l’optimisation des méthodes de fabrications. Les filières existantes
Les modules photovoltaïques installés aujourd’hui proviennent de trois filières principales.

Le Silicium

La première, représentant 98% du marché, utilise le Silicum, matériau abondant dans la croute terrestre (il est la base du sable, du verre… qui sont des oxydes de silicium). La forme la plus efficace énergétiquement (avec un rendement atteignant aujourd’hui 25% en cellule et plus de 22% en module) est le silicium monocristallin (un seul cristal en bloc), mais elle est plus coûteuse à la fois économiquement et énergétiquement que le silicium multicristallin, qui a par contre de moins bon rendements, conduisant moins bien l’électricité. Les développements actuels se concentrent essentiellement sur l’amélioration des techniques de fabrication, comme, du point de vue industriel, le remplacement de la découpe de plaques solides de quelques centaines de micromètres d’épaisseur, par le dépôt de matériau fondu à l’aide de rouleaux. Du point de vue scientifique, le travail se fait sur l’amélioration des dopages servant à l’établissement du champ électrique, ou sur la compatibilité entre le silicium et ses supports, protections et contacts, qu’ils soient métalliques ou en verre (actuellement des différences de coefficient de dilatation déstructurent et baissent la conductivité). Une autre forme encore moins coûteuse, car utilisant extrêmement peu de matériau, mais aussi beaucoup moins efficace, est le silicium amorphe, qui se dépose très facilement sur une plaque de verre par simple évaporation, il a l’avantage d’’être très absorbant, mais en contrepartie il est très mauvais conducteur de charges. Il a été popularisé par les calculatrices solaires au début des années 80 et est toujours une filière vivace, dans laquelle de nouveaux concepts font leur apparition. Actuellement son rendement est d’environ 6% dans le commerce et plus de 10% en laboratoire, il constitue environ 10% du total des cellules commercialisées en silicium.

CIS et CdTe

Les deux filières industrielles non silicium sont basées sur des alliages semi-conducteurs de matériaux industrialisables : l’alliage dit CIS : Cu (In,Ga) Se (Cuivre indium gallium selenium) et le CdTe (Tellure Cadmium). Ces matériaux sont à la fois très absorbants et très conducteurs et permettent donc l’utilisation de couches minces de 1 à 2 microns d’épaisseurs. Les CIS atteignent aujourd’hui des rendements de 19.4% en cellule et 13.5% en module. Ils sont très tolérants aux défauts, propriété importante dans une optique de production à très grande échelle, et c’est du côté de l’amélioration des méthodes de dépôts des matériaux sur des couches de verre que se concentrent les développements, les couches sont en effet tellement minces qu’il est impossible de les fabriquer indépendamment.
D’autres matériaux basés sur des alliages sont extrêmement performants, mais aussi extrêmement chers (comme l’arséniure/indure de gallium InGaAs) et donc utilisés pour les applications spatiales à l’aide de concentrateurs de lumière.

Perspectives et nouvelles filières

De nombreuses technologies sont actuellement à l’étude, utilisant selon le cas l’état de l’art des connaissances en chimie organique, en photonique, en nanotechnologie… les rendements, lorsque nous en citons, sont mesurés sur des prototypes de cellules fabriqués en laboratoire et très loin encore de l’industrialisation, la filière de base nécessitant tout d’abord d’être parfaitement maîtrisée. Matériaux organiques
Le terme organique recouvre ici des matières plastiques et implique une synthèse chimique en solution, beaucoup plus simple et moins coûteuse que les méthodes de dépôts et découpes de solides. Les molécules organiques synthétisées sont de très longues molécules se comportant chacune comme un semi-conducteur, dans laquelle une paire électron-trou se crée lors de l’absorption d’un photon.
Les plus anciennes sont les cellules à colorants organiques, molécules venant se greffer dans un solide poreux transparent et pouvant servir de contact. Découvertes en 1991 par M. Gratzel [2] et se basant sur des principes de physique des lasers, elles atteignent des rendements de 10%, limités en particulier par le fait qu’elles sont sélectives spectralement (et n absorbent donc pas toutes les couleurs), une avancée très récente propose l’utilisation de « colorants relais » venant se superposer au colorant principal et permettant d’élargir ce spectre.
De nombreux travaux sur la synthèse de molécules organiques avec des spectres d’absorption de plus en plus larges sont en cours, mais aussi sur des molécules permettant la collecte des charges, actuel point noir des organiques qui conduisent très mal les charges, qui se recombinent facilement avec une charge de signe opposé à l’interface entre deux molécules. Ainsi la formation de réseaux de deux types de molécules interpénétrées conduisant chacun un type de charge (électrons ou trous) est étudiée. Des résultats publiés en mai 2009 dans la revue Nature Photonics [3] sur des concepts de ce type, avec des molécules (dites PCDTBT) présentant en plus la faculté de ne pas être recombinantes, montrent des rendements de plus de 6%. Une rupture technologique potentielle dans ce domaine viendra peut-être des solutions de boîtes quantiques, nano-objets dont on contrôle parfaitement les propriétés d’absorption, mais dont la fabrication et l’intégration dans une cellule PV est encore à un stade très prospectif.

Couches minces et multijonctions

D’autres concepts se proposent d’utiliser les propriétés fondamentales des matériaux pour en repousser les limites. En particulier des développements se font autour de cellules à multi-jonctions, superposant des matériaux ayant des énergies de gap différentes. On utilise alors chaque matériau dans un domaine de longueur d’onde où il est très absorbant et cela permet donc d’amincir notablement les différentes couches. La photonique pour le PV
Nous terminerons cette revue par la mention de propositions et d’expérimentations très récentes et innovantes, utilisant le caractère ondulatoire de la lumière. En effet lorsque l’on structure un matériau à une échelle qui est de l’ordre de la longueur d’onde de la lumière qui interagit avec lui, cela crée des phénomènes interférentiels et permet l’apparition de modes optiques dans le matériau. Concrètement cela se traduit par un piégeage de la lumière, qui reste donc plus longtemps dans les couches absorbantes et a par conséquent de plus grandes chances d’être absorbée, différentes techniques de nano-structurations sont à l’étude, dont la gravure directe du matériau absorbant [4] (fabrication d’un cristal photonique) et le dépôt d’une nanostructure métallique (plasmonique). Cette trop rapide vue d’ensemble ne peut qu’illustrer l’abondance d’idées et de possibilités pouvant mener à des ruptures technologiques. Il ne faut pas s’attendre à des révolutions conceptuelles, puisque souvent ce sont des notions développées par ailleurs qui sont appliquées au photovoltaïque, mais c’est l’application et l’extension à une échelle industrielle de quelques-unes de ces notions nouvelles qui peut faire faire des bons à la fois à l’efficace énergétique et au coût (en sens inverse !) de l’énergie photovoltaïque.


Glossaire

  • Puissance : énergie reçue, émise ou transformée par unité de temps.
  • Solide amorphe : solide dont les atomes sont disposés aléatoirement sans direction privilégiée, c’est l’état solide le plus courant.
  • Cristal : solide ordonné, dont les atomes sont disposés périodiquement dans l’espace, il nécessite pour sa fabrication un apport d’énergie supplémentaire par rapport à la phase amorphe.
  • Cellule : pour la recherche en PV, une cellule est un élément d’environ 1x1cm carré fabriqué en laboratoire.
  • Module : c’est le panneau photovoltaïque produisant de l’électricité consommable directement, il est donc constitué de nombreuses cellules mises ensemble, connectées et encapsulées de manière à pouvoir être installées en extérieur.
  • Gap : niveau d’énergie minimale des photons que peut absorber un matériau semi-conducteur, l’énergie d’un photon étant inversement proportionnelle à sa longueur d’onde, il donne donc une longueur d’onde maximale d’absorption.

NB : cet article est une mise à jour d’un article écrit par l’auteur et paru dans les revues CLER-Infos et Environnement et techniques sous le titre “Ruptures technologiques dans la recherche sur le photovoltaïque”


[1es données chiffrées citées ici sont tirées de la revue de référence Progress in Photovoltaics : research and applications. Les rendements sont mesurés dans des conditions idéales, ils sont des valeurs maximales atteignables.

[3Nature photonics Vol. 3 p. 406 (2009)

[4En particulier dans le cadre du projet SPARCS (structures photoniques pour l’amélioration du rendement de cellules solaires photovoltaïques) coordonné par l’Institut des nanotechnologies de Lyon (INL) et impliquant plusieurs laboratoires français.