00:06 ARCHITECTURE

La course à la performance est engagée entre les chercheurs

Les cellules solaires transforment le rayonnement solaire en énergie électrique sans déchets, ni bruit, ni gaz nocifs. La technique photovoltaïque est un élément important pour l’approvisionnement énergétique du futur. Les innovations sont nombreuses et la course à la performance est engagée entre chercheurs du monde entier.

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Si actuellement le marché est clairement dominé par les technologies au silicium dans ses formes mono ou multi-cristallines, d'autres procédés sont utilisés ou sont en voie de développement pour la production de cellules dites à couche fine. Une grande variété de matériaux est actuellement en cours de développement entre laboratoires de recherche et production pilote. Au cours des dix dernières années, de grands progrès ont été observés dans le développement de ces équipements et l’on dispose aujourd’hui de systèmes prometteurs. C'est notamment le cas pour la cellule solaire développée a l'Ecole polytechnique féderale de Lausanne (EPFL) par le professeur Michael Graetzel. De quoi s'agit-il? En 1991, Michael Graetzel et son équipe étaient parvenus a créer la première cellule solaire nanocristalline a colorant.

Un procédé qui s’inspire de la photosynthèse
Pour résumer, les cellules solaires traditionnelles convertissent la lumière en électricité en exploitant l'effet photovoltaïque qui apparaît à la jonction de semi-conducteurs. Ce sont donc des dispositifs proches des transistors ou des circuits intégrés. Le semi-conducteur remplit simultanément les fonctions d'absorption de la lumière et de séparation des charges électriques résultantes. Pour que ces deux processus soient efficaces, les cellules doivent être constituées de matériaux de haute pureté. Leur fabrication est par conséquent onéreuse, ce qui limite leur emploi pour la production d'électricité à grande échelle. Les cellules développées par Michael Graetzel dans le cadre de ses recherches fonctionnent selon un autre principe, qui différencie les fonctions d'absorption de la lumière et de séparation des charges électriques. L’équipe du professeur Graetzel s’est inspirée de la photosynthèse, ce processus chimique qui permet aux plantes de se nourrir en consommant l’énergie lumineuse. Imitant ce principe, la cellule est composée de cristaux nanoscopiques en oxyde de titane (TiO2), eux-mêmes recouverts d’un colorant. Le colorant absorbe la lumière et éjecte des électrons, qui sont absorbés par le TiO2 et dirigés vers un circuit externe où leur passage produit de l’électricité. Elles offrent, par leur simplicité de fabrication, l'espoir d'une réduction significative du prix de l’électricité solaire. Certain experts prédisent une division par cinq du coût de l’énergie solaire.

Une efficacité durant vingt ans au moins
Depuis que l’on s’efforce de valoriser le photovoltaïque dans le domaine de l’énergie, les coûts de fabrication figurent au cœur des préoccupations, c’est dire l’importance du développement d'un tel procédé. L'efficacité de ces nouvelles cellules était de 6% avec les premiers prototypes mentionnés dans «Nature Materials». Elles ont été améliorées pour atteindre 10 à 11%, une valeur confirmée par des mesures au laboratoire de contrôle et de calibrage des cellules solaire (NREL) aux USA. A la lumière diffuse l’efficacité augmente à 15% environ. Une cellule solaire doit être capable de produire de l'électricité pendant vingt ans au moins sans baisse de rendement significative. Le système a été soumis à une illumination à haute intensité (2000 W/m2) pendant 8000 heures, ce qui correspond à 14 ans environ d’exposition sous conditions naturelles. Aucune diminution notable des performances n'a été observée, ce qui témoigne de l'exceptionnelle stabilité du colorant et du système dans son ensemble.

Un saut technologique
L’invention de la cellule nanocristalline présente un saut technologique considérable par rapport aux technologies existantes, ce qui permet d'envisager de nouveaux domaines d'applications. Par exemple, il est possible par le choix de l’épaisseur de la couche nanocristalline et la taille des particules de TiO2 de réaliser des verres photovoltaïques transparents. On peut même envisager la fabrication des verres photovoltaïques ayant l’apparence d’une vitre normale où le sensibilisateur n’absorbe que dans le domaine ultraviolet ou infrarouge du spectre le rendant invisible à l’œil. Il est impossible de réaliser de tels vitrages photovoltaïques avec des piles existantes basées sur le silicium.
Parmi les avantages de la nouvelle cellule citons encore son caractère bifacial qui permet de collecter la lumière venant de tous les angles d’incidence. Ceci permet d’atteindre de très haut rendements de conversion à la lumière diffuse (ciel nuageux, albédo provenant de l’eau, du sable ou de la neige) ouvrant le chemin à des applications importantes comme élément de façade des bâtiments. Un autre marché potentiel pour la nouvelle cellule concerne l’approvisionnement des appareils électroniques en énergie. Elle peut se servir efficacement de la lumière ambiante pour alimenter par exemple la climatisation des bâtiments. Mentionnons finalement l’indépendance de son rendement de la température qui lui donne un avantage indéniable par rapport au silicium, Ce dernier perd 0,5% de rendement par degré Celsius. Or la température des cellules solaires monte inévitablement à 50 à 60° en plein soleil ce qui réduit le rendement des piles à silicium de 20 à 30% alors que l’efficacité des cellules à colorant ne change guère dans ce domaine de température.
En raison de la grande variété de ses applications potentielles, de sa compatibilité avec l'environnement, de sa simplicité de fabrication et de son faible coût, la cellule solaire nanocristalline à colorant devrait permettre d'accroître substantiellement l'exploitation des énergies renouvelables et contribuer ainsi à l'avènement d'un développement durable pour l'humanité.
Eric Kocher

Les principaux matériaux de la famille du photovoltaïque

Silicium cristallin (Si)

C'est le matériau le plus utilisé pour la fabrication de cellules photovoltaïques. Il en existe en plusieurs types:

  • Les silicium mono et multicristallin sont produits à partir de lingots de silicium cristallin découpés en plaquettes.

  • Le polycristallin déposé en couche mince (de l'ordre de 10 micromètres) sur un substrat de verre ou de céramique.


Silicium amorphe (aSi)

Matériau composé de silicium hydrogéné (état non-cristallin) déposé sur un substrat de verre. Cette technologie des couches minces, avec le silicium cristallin, a été la première à être produite à une échelle industrielle. Le silicium amorphe est appliqué à des appareils de petite puissance (calculatrices, etc.).


Tellurure de cadmium (CdTe)

Composé polycristallin déposé sur substrat de verre. Cette technologie semblait être la plus adaptée pour les couches minces. Mais les problèmes de coût et de toxicité posés par le cadmium ont pesé lourdement sur son développement.


CIS

Matériau composé de diséléniure de cuivre et d'indium combiné avec du sulfure de cadmium. Cette technologie de couches minces, qui permet d'atteindre des épaisseurs inférieures au micromètre, est présente dans de nombreux projets industriels.


Arséniure de gallium (GaAs)

Matériau mono-cristallin combiné avec différents matériaux. Les cellules photovoltaïques en couches minces qui intégrent cette technologie sont caractérisées par un haut rendement mais vu leur coût très élevé, leur utilisation est cantonnée à des applications très spécifiques comme le domaine spatial.


Dioxyde de titane (TiO2)

Ces cellules inventées par le professeur Gratzel de l'EPFL sont composées d’une poudre de cristaux TiO2 associées à un électrolyte et à un colorant qui absorbe la lumière.

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