Le point sur le solaire photovoltaïque

Photovoltaïque : la longue chaîne de la recherche à l’industrie

La filière du solaire photovoltaïque est portée par une recherche mondiale très active et un marché économique en expansion continue. Daniel Lincot, Directeur de recherche émérite au CNRS, explique cette interaction stratégique entre l’industrie et la recherche.

La recherche dans le domaine du solaire photovoltaïque est en effervescence dans le monde entier. La raison en est la vaste étendue des champs d’études. Ils vont de la recherche fondamentale sur les interactions entre les photons de la lumière et la matière jusqu’à l’innovation dans les applications industrielles. Donc de la physique quantique jusqu’à la composition des résines qui encapsulent les cellules et donc améliorent leur durée de fonctionnement.

Du chercheur à l’installateur de systèmes solaires, du laboratoire au marché, il y a une longue chaîne entre la recherche académique et l’industrie, qui donne une accélération surprenante aux progrès technologiques du secteur. Cette chaîne est essentielle. Il ne faut pas de chaînon manquant.  

Les grandes catégories de cellules

Historiquement, tout a commencé par la technologie dite de première génération fondée sur le siliciumLes cristaux de silicium sont issus de la silice, principal composant du sable et du quartz. Le silicium est un matériau semi-conducteur. . C’est toujours la technologie dominante, à 95 %. Elle a conquis le monde, avec un coût qui n’a cessé de décroître. Les cellules qui constituent les modules peuvent être au silicium monocristallin avec des rendements¹ records en laboratoire qui montent à plus de 25 % (250 W par m² pour 1000 W de lumière incidente).  Le record absolu est japonais, avec 26,6 %. Les cellules peuvent être aussi à silicium polycristallin (les plus bleutées), qui sont plus faciles à produire mais avec des rendements records un peu plus faibles, autour de 22 % en laboratoire².

Plutôt que de couper dans des lingots de fines lamelles de silicium d’environ 0,2 mm (200 microns), appelées « wafers », il est apparu très tôt intéressant aux chercheurs de préparer les cellules sous forme de couches minces de matériaux photovoltaïques directement déposées sur un support à bon marché comme le verre. Des couches cent fois plus minces (quelques microns) que les wafers de silicium sont ainsi utilisées avec le matériau CIGS (un alliage à base de cuivre, d’indium, de gallium et de sélénium). Elles ont atteint des rendements d’environ 23 %³. On est déjà plus élevé que le silicium polycristallin.  Avec une autre technologie au tellurure de cadmium (CdTe), on atteint en laboratoire plus de 22 %⁴.  Ces technologies en couches minces, qui représentent un peu moins de 5 % du marché mondial, sont donc en train de creuser peu à peu leur sillon et leurs rendements tendront à faire jeu égal avec ceux du silicium. Or elles ont des processus de fabrication moins complexes, et donc peu onéreuses une fois qu’elles auront atteint une production à grande échelle.

Ces approches en couches minces ont été elles-mêmes révolutionnées il y a quelques années avec les progrès spectaculaires des cellules à base de matériaux organiques, contenant du carbone. Ainsi s’est ouvert le domaine de l’OPV (photovoltaïque organique), comme les OLED dans le domaine de l’éclairage.  Ces cellules, imprimables, relèvent de techniques et concepts de chimistes. Elles utilisent des molécules colorées, qui fonctionnent à l’image de la photosynthèseLa photosynthèse est le processus par lequel les plantes (sous l'action de la lumière du soleil) transforment le CO2 et l'eau en matière végétale... naturelle. C’est une technologie potentiellement à très bas coût, à des rendements autour de 6 %, en progrès constants, qui conviennent à des marchés de niche.

Ce domaine, qui est un véritable « bouillon de culture » de recherches, a débouché dans les cinq dernières années sur la naissance d’une véritable « star » : la filière à base de matériaux « hybrides » intermédiaires entre les matériaux classiques et les matériaux organiques : les perovskites (à base de iodure de méthylammonium de plomb).  Ceux-ci atteignent plus de 23 % en laboratoire (Suisse, Corée, Chine)⁵, ouvrant de larges perspectives d’avenir même s’il reste encore des problèmes à résoudre pour les chercheurs.

Vers les multi-jonctions

Le progrès technologique dans le solaire photovoltaïque est donc fait de vagues successives, il ne s’agit pas d’une simple amélioration continue à petits pas. D’autant qu’une nouvelle rupture se profile. Les chercheurs du monde entier sont engagés dans une course au rendement. Et ils connaissent le nom du gagnant :  les cellules multi-jonctions au lieu des simples jonctions actuelles. Par exemple, si on prend une cellule silicium et que l’on pose dessus une cellule couche mince adaptée, on va avoir une double jonction, une cellule « tandem », avec un rendement qui pourrait atteindre … 43 %. Un saut énorme. En laboratoire, un rendement de 46 % a déjà été réalisé avec 4 jonctions.

Cette marche en avant n’oublie jamais les conditions économiques. La question du coût final de l’électricité produite est ainsi un souci permanent.  A l’IPVF, nous suivons un programme phare que je citerai car il est symbolique. C’est le programme 30-30-30. Un rendement de 30 %, en 2030, à un coût de 30 centimes d’euros par WattLe watt (symbole W) est l'unité dérivée du système international (SI) de mesure de la puissance... …et pour cela on vise ces technologies « tandem » combinant silicium et couches minces, une belle convergence à creuser !

Daniel Lincot est Directeur de recherche émérite au CNRS et professeur invité au Collège de France. Il a été directeur scientifique de l'Institut Photovoltaïque d'Ile-de-France (IPVF) jusqu’en 2019, année de sa retraite. L’IPVF, créé en 2013, a pour objectif d’améliorer les performances et la compétitivité des cellules photovoltaïquesDispositif qui transforme l'énergie lumineuse en courant électrique. . Diplômé de l'ESPCI ParisTech, Daniel Lincot a travaillé sur la photo-électrochimie des semi-conducteurs et a supervisé la création d'une filière de production par électrolyse de cellules solaires en couches minces.