Aucun matériau solaire n’a réussi à supplanter le silicium. Les Perovskites, qui sont beaucoup moins chers et peuvent être transformés en modules flexibles, pourraient changer cela.
Les cellules solaires en perovskite peuvent être moins chères, plus légères, plus écoénergétiques et plus faciles à produire que le silicium traditionnel.
Elles pourraient être posées sur des vitres, des surfaces de forme irrégulière ou même sur des véhicules en mouvement et ouvrir de nouvelles possibilités d’utilisation de l’énergie solaire, comme le dessalement.
Le plus grand défi : les rendre assez durables
En décembre dernier, des chercheurs d’un laboratoire d’Oxford, en Angleterre, ont installé une lampe solaire sur une minuscule cellule solaire d’environ un centimètre carré seulement.
L’appareil était en fait deux cellules, empilées l’une sur l’autre. La partie inférieure était faite du type de silicium utilisé dans les panneaux solaires standard. Mais le sommet était en pérovskite, un matériau avec une structure cristalline qui est particulièrement habile à transformer la lumière en électricité.
Une paire de sondes attachées à la cellule solaire dite tandem mesurait ses performances. D’autres chercheurs du laboratoire d’Oxford PV, une entreprise issue de l’université l’année dernière, se sont rassemblés derrière un écran plat, attendant avec impatience l’apparition d’un calcul de l’efficacité de la cellule. Quand c’est arrivé, ils ont échangé des félicitations. La cellule avait converti 28% de l’énergie de la lumière en électricité, un nouveau record d’efficacité pour un dispositif perovskite-on-silicon. Un test indépendant l’a confirmé quelques jours plus tard, après que la minuscule cellule ait été mise dans un avion pour le National Renewable Energy Laboratory (NREL) à Golden, Colorado.
La cellule solaire de taille commerciale d’Oxford PV (à gauche) et la version d’un centimètre carré (à droite).
Bien que les panneaux de silicium puissent dominer le marché – avec une part de marché d’environ 95 % – le silicium n’est pas un matériau solaire particulièrement bon. Il utilise principalement la lumière rouge et infrarouge du spectre solaire, et il doit être assez épais et encombrant pour absorber et convertir les photons. Les panneaux solaires en silicium les plus efficaces du marché atteignent un rendement inférieur à 23%, alors que le maximum théorique pour une seule couche de silicium est d’environ 29%.
La perovskite, d’autre part, peut utiliser plus de lumière qui l’atteint et peut être réglée pour fonctionner avec différentes parties du spectre. Oxford PV a opté pour l’extrémité bleue. Jumelés dans une cellule, les deux matériaux peuvent convertir ensemble plus de photons en électrons qu’ils ne peuvent en produire seuls.
Oxford PV prévoit de mettre sur le marché des cellules solaires à base de pérovskite et de silicium d’ici la fin de l’année prochaine, en utilisant une usine allemande acquise en 2016 de Bosch Solar. Les deux matériaux se présenteront sous la forme d’un ensemble qui, autrement, ressemblera à un panneau solaire standard, sera expédié et installé de la même manière qu’un panneau solaire standard, dans une sorte de demi-étape qui, selon l’entreprise, facilitera l’introduction de la technologie sur le marché.
« Il s’agit d’une perturbation technologique sans perturbation de l’activité « , déclare Chris Case, directeur de la technologie d’Oxford PV.
Des dizaines de jeunes entreprises qui cherchaient à supplanter le silicium il y a une dizaine d’années se sont retrouvées en faillite ou ont été reléguées à un marché de niche. Mais les investisseurs en capital-risque ont investi des dizaines de millions de dollars dans des entreprises de perovskite au cours des derniers mois, réchauffant ce qui avait longtemps été un marché glacial pour les matériaux solaires alternatifs. La question est maintenant de savoir si les perovskites vont s’effriter aussi, ou si elles vont finalement battre les panneaux de silicium sur le marché.
« Il y a tout un ensemble de choses qui en font une technologie potentiellement transformatrice « , dit Joe Berry, qui dirige le programme de recherche sur la pérovskite au Laboratoire national des énergies renouvelables. « Mais la liste des technologies qui ont essayé de concurrencer le silicium est longue et distinguée, il faut donc être humble dans ce sens aussi. »
« Une cellule solaire sous stéroïdes »
À la fin des années 2000, un certain nombre de jeunes entreprises bien financées ont tenté de commercialiser de nouveaux matériaux solaires plus souples, notamment des technologies à couche mince comme le tellurure de cadmium et le séléniure de cuivre, d’indium et de gallium (comme Solyndra), ainsi que des cellules solaires organiques. La promesse était que les cellules fabriquées à partir de ces matériaux seraient beaucoup moins chères à fabriquer et pourraient être produites sous diverses formes.
Mais les panneaux solaires en silicium étaient une cible en évolution rapide. Les niveaux d’efficience ont continué de s’améliorer et les prix ont chuté, grâce aux efforts de recherche financés par le gouvernement, aux politiques de stimulation du marché et aux économies d’échelle.
Coûts des systèmes photovoltaïques commerciaux (dollars US par watt de courant continu pour les systèmes à inclinaison fixe). Source : Laboratoire National des Energies Renouvelables
La Chine, en particulier, a eu recours à des subventions et à des stratégies agressives pour accélérer la fabrication et les exportations dans le but de dominer le marché. Les expéditions de modules et la part du marché mondial du pays ont décollé à partir du milieu des années 2000, ce qui a donné lieu à des allégations de dumping illégal visant à éliminer des rivaux étrangers. Les prix des panneaux de silicium commerciaux ont chuté de plus de la moitié entre 2010 et 2013, et le marché des produits de remplacement a chuté.
Ainsi, de nos jours, pour justifier les énormes dépenses de construction de nouvelles usines, chaînes d’approvisionnement et canaux de distribution, tout nouveau matériau doit être meilleur de manière cruciale : plus efficace, moins cher à fabriquer, plus polyvalent, plus durable, ou idéalement tout ce qui précède.
La perovskite brille dans certaines de ces catégories. Une seule couche peut théoriquement atteindre une efficacité de 33%, alors qu’un dispositif tandem perovskite-on-silicon pourrait atteindre environ 43%. Un rendement élevé est important parce que vous pouvez produire plus d’électricité à partir du même nombre de panneaux ou de la même quantité avec un encombrement réduit et des coûts moindres.
Les modules solaires en perovskite devraient également être moins chers à fabriquer, du moins à terme. La production de panneaux de silicium est un procédé de fabrication en plusieurs étapes qui consiste à raffiner le silicium à haute température, à l’infuser avec d’autres matériaux et à le découper précisément en tranches qui doivent ensuite être modelées avec précision dans une salle blanche pour créer une cellule photovoltaïque.
Les perovskites, par contre, peuvent être produites à basse température et utilisées sous forme liquide pour revêtir des matériaux flexibles comme le plastique, ce qui permet un procédé de fabrication de rouleau à rouleau semblable à l’impression de journaux.
En réaménageant l’usine de fabrication de couches minces de Bosch, Oxford PV espère être en mesure de produire en série des cellules de silicium et de perovskite d’ici la fin de l’année prochaine, et de les assembler en panneaux d’aspect standard.
« C’est une cellule solaire ordinaire sous stéroïdes », assure Chris Case.
En mars, Oxford PV a déclaré avoir levé plus de 40 millions de dollars pour mettre ses produits sur le marché, portant son financement total à environ 100 millions de dollars. L’usine fabriquera 250 mégawatts de cellules par an.
Une autre jeune entreprise de perovskite, Energy Materials, cherche également à utiliser la fabrication de rouleaux à rouleaux. Basée à Rochester, dans l’État de New York, elle utilise de l’équipement cinématographique construit à l’origine pour Eastman Kodak pour produire en masse des panneaux solaires à base de perovskite. À pleine échelle, le procédé coûtera moitié moins cher que la fabrication d’un module solaire traditionnel, tandis que les coûts d’investissement seront inférieurs d’un ordre de grandeur, car le silicium nécessite des machines et des installations coûteuses et précises, explique Thomas Tombs, directeur technique de la société.
La cellule solaire Swift Solar en pérovskite flexible.
Puisque la pérovskite peut être flexible, semi-transparente et légère, elle pourrait aussi être utilisée là où des panneaux solaires lourds et rigides ne fonctionneraient pas – sur des fenêtres, des toits plus froissés, des surfaces de forme irrégulière, ou même des véhicules en mouvement.
Swift Solar, une start-up affiliée au NREL qui a collecté près de 7 millions de dollars au cours des derniers mois, envisage d’installer des cellules solaires tandem perovskite-perovskite – qui utilisent deux couches de perovskite, chacune sur une partie différente du spectre – sur des drones et véhicules électriques pour étendre leur portée, selon son PDG, Joel Jean. Une telle cellule pourrait être très efficace, plus flexible et plus légère qu’une cellule avec une couche de silicium épaisse.
Déverrouiller de nouvelles utilisations de l’énergie solaire
Dans son livre Taming the Sun, Varun Sivaram, directeur de la technologie chez ReNew Power, affirme que les nouvelles technologies solaires comme les périovskites peuvent être essentielles pour remplacer les combustibles fossiles.
Mais pourquoi avons-nous besoin d’une énergie solaire encore moins chère si les panneaux en silicium sont déjà compétitifs par rapport, disons, à une centrale au charbon ?
L’un des plus gros problèmes de l’énergie solaire est qu’une fois qu’elle produit une partie importante de l’électricité sur le réseau, la valeur additionnelle du prochain panneau ou de la prochaine centrale commence à diminuer considérablement.
En effet, la nuit, les fermes solaires ne produisent pas du tout d’électricité, ce qui signifie que le reste du système doit encore être capable de répondre à la demande totale. Par contre, les jours ensoleillés, il peut y avoir plus d’électricité que ce que le système peut utiliser ou stocker. C’est déjà le cas dans des régions où l’énergie solaire est abondante, comme l’Allemagne, la Chine et la Californie.
Les exploitants de réseaux doivent régulièrement forcer ou inciter les fermes solaires à réduire leur production, souvent en abaissant les prix à zéro ou même en dessous. Cela peut réduire les profits des centrales solaires, ce qui élimine les incitations économiques à en construire davantage et à continuer de réduire l’utilisation des combustibles fossiles.
Dans un article publié dans Nature Energy en 2016, Varum Sivaram et Shayle Kann, aujourd’hui directeur général de la société de capital-investissement Energy Impact Partners, ont calculé que pour préserver les incitations économiques à continuer à construire davantage de centrales, le coût du développement du solaire devrait tomber à 25 cents le watt. Selon le dernier rapport du NREL, le coût global des systèmes commerciaux les moins chers est de 1,06 $ le watt.
Cela est dû en grande partie au prix élevé de l’installation et du câblage du matériel encombrant. Réduire le prix de façon spectaculaire nécessitera non seulement des cellules solaires peu coûteuses, mais aussi des cellules légères, flexibles et plus faciles à déployer. Les perovskites sont le matériau le plus prometteur pour faire ce saut aujourd’hui, assure Varun Sivaram.
L’électricité solaire bon marché pourrait également faire baisser le coût de choses comme le dessalement de l’eau de mer, les arbres artificiels qui peuvent extraire le dioxyde de carbone de l’atmosphère, ou les usines d’électrolyse qui peuvent convertir l’énergie excédentaire en carburant hydrogène.
« Il déverrouille toutes ces autres nouvelles applications auxquelles nous n’avions jamais pensé auparavant « , explique Varun Sivaram.
Le problème de l’instabilité
La question la plus difficile autour des perovskites est leur durabilité. Les sauts d’efficacité n’ont pas beaucoup d’importance si le matériau ne dure que quelques mois ou même des années – et jusqu’à présent, les périovskites ont eu tendance à se dégrader rapidement lorsqu’ils ont été exposés à la lumière ultraviolette et l’humidité.
C’est un très gros problème pour un matériau qui doit rester sous le soleil pendant quelques décennies. Et si les entreprises lancent des panneaux de pérovskite qui finissent par échouer trop tôt, cela ternit la réputation du matériau, même si elles développent plus tard des versions plus durables.
Pour l’instant, le plan de marché d’Oxford PV dépend de la possibilité de faire fonctionner sa cellule en perovskite-silicium et de lui donner l’apparence d’un panneau solaire en silicium standard, ce qui inclut son emballage dans une enveloppe en verre qui lui permettra de durer plus longtemps.
Mais l’entreprise a dû travailler d’arrache-pied sur la stabilité du matériau lui-même, en recourant à la modélisation informatique et au criblage rapide pour repérer les compositions prometteuses parmi un demi-million de possibilités. La recette de la société pour les perovskites est propriétaire, mais son PDG, Frank Averdung, est optimiste. « Nous avons résolu le problème de fiabilité, dit-il. « Nous avons réussi, et c’est la raison pour laquelle nous pouvons passer en mode de fabrication maintenant. »
https://www.nrel.gov/pv/cadmium-telluride-solar-cells.html
https://www.nrel.gov/news/program/2018/costs-continue-to-decline-for-residential-and-commercial-photovoltaics-in-2018.html
