Évolutions dans le domaine du photovoltaïque : une question de matériaux ?

Parmi les différentes ressources d’énergies renouvelables disponibles, l’énergie solaire a le potentiel énergétique le plus important : la quantité d’énergie solaire que la terre reçoit en une heure était en 2002 supérieure à la consommation annuelle mondiale. Cependant, aujourd’hui, l’énergie solaire représente moins de 1% de la production mondiale d’énergie contrairement aux énergies fossiles qui en constituent à elles seules 85%. Différents facteurs expliquent cette divergence : le faible rendement et le coût de production élevé des cellules solaires mais également la nécessité de stocker cette énergie intermittente.

Toutefois, plus que jamais la production de masse d’électricité à partir des cellules photovoltaïques semble à portée de main comme en témoignent de plusieurs rapports récents traitant des technologies solaires les plus prometteuses ou de l’utilisation des nanotechnologies dans les cellules photovoltaïques publié par l’un des leaders mondial pour la recherche sur les marchés internationaux et sur les données de marché. De plus, en juin 2013, le US Photovoltaic Manufacturing Consortium (PVMC), consortium industrie-universités-gouvernement pour la R&D et piloté par le secteur privé, a défini la première feuille de route sur le photovoltaïque dans le but de diminuer de 75% le coût total des dispositifs photovoltaïques au cours de la prochaine décennie. Il est intéressant de noter ici que le plan de 2011 « SunShot iniative » du Département de l’Energie (« US Department of Energy » ou DoE) a été l’un des initiateurs du PVMC.

Ainsi, la R&D sur les cellules solaires et les systèmes de stockage associés est très active aux Etats-Unis, pays leader en recherche avec près de 22% des publications mondiales dans le domaine. Cette effervescence est soutenue par des investissements privés mais également fédéraux en particulier au travers du DoE. Deux exemples de financement marquants sur l’année 2013 peuvent être cités : le « College of Nanoscale Science and Engineering Photovoltaic Manufacturing and Technology Development Facility » (CNSE MDF), Université d’Etat de New York (SUNY), à Rochester dont l’objectif est le développement de nouvelles technologies autour du silicium cristallin et le « Kavli Energy NanoSciences Institute », Université de Berkeley, Californie, dont l’objectif est l’intégration des nanotechnologies dans le domaine de l’énergie solaire.

De nombreux défis restent à relever

Les cellules photovoltaïques sont des dispositifs qui convertissent l’énergie lumineuse du soleil en électricité. Les cellules actuelles sont généralement constituées d’un empilement de fines couches de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium, le sulfure de cadmium, ou le tellure de cadmium. Le matériau le plus utilisé reste cependant le silicium.

Lorsqu’un photon provenant du soleil rentre en contact avec une cellule photovoltaïque, il existe une certaine probabilité pour que celui-ci soit absorbé par un atome d’une couche semi-conductrice expulsant un électron de l’atome et laissant derrière un « trou. » Les électrons expulsés sont alors dirigés vers une électrode alors que les « trous », se comportant pratiquement comme une charge positive, se dirigent vers une seconde électrode. On a ainsi créé une différence de potentiel entre les deux électrodes à la manière d’une pile. Le taux de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique des cellules photovoltaïques est toutefois relativement faible : environ 15% pour les cellules commerciales.

Le silicium, bien qu’abondant dans la nature, est un matériau coûteux à exploiter et à purifier ce qui justifie le prix élevé des panneaux photovoltaïques. De plus, le taux de conversion maximum théorique des cellules photovoltaïques à base de silicium est de 31% ce qui reste trop faible d’un point de vue économique [1]. Pour améliorer leurs rendements et réduire leurs coûts de production, il est possible d’agir sur différents facteurs. En particulier, parmi les chercheurs, il existe un certain consensus autour de l’idée que les grandes avancées dans le domaine photovoltaïque reposeront sur l’utilisation de nouveaux matériaux ou sur l’association de différents matériaux sous formes de multicouches.

Nouveaux matériaux pour les cellules photovoltaïques

Bien que le coût des panneaux photovoltaïques ait baissé de 70% au cours des 3 dernières années, la réduction du coût de production des cellules reste l’un des enjeux majeurs pour une utilisation massive des cellules solaires [6]. Ainsi, de nombreux laboratoires de recherche américains travaillent spécifiquement dans cette optique en mettant au point de nouveaux matériaux pour constituer les cellules photovoltaïques. De manière assez arbitraire, il est possible de classer ces matériaux en 3 grandes catégories : les matériaux inorganiques, les matériaux organiques et les matériaux à base de carbone.

Matériaux inorganiques

La vaste majorité des architectures des cellules photovoltaïques commerciales repose sur les propriétés des matériaux inorganiques et plus particulièrement sur les matériaux semi-conducteurs tels que le silicium ou des alliages de semi-conducteurs (tellure de cadmium, nitrure de gallium-indium…). La R&D dans ce domaine, souvent issue d’un partenariat public-privé, est importante et concerne à la fois l’amélioration de l’efficacité et/ou de la réduction des coûts de fabrication des cellules solaires. Par exemple, Bandgap Engineering, Inc. en association avec l’Institut de Technologie de Géorgie (Georgia Tech) ont annoncé en août dernier avoir amélioré le processus de fabrication des cellules solaires à base de silicium polycristallin de telle sorte que non seulement les coûts de fabrication ont été réduits mais que l’efficacité des cellules a été augmentée de 0,3% pour atteindre 16,7% (vs. 16,4% en moyenne pour des cellules commerciales). Cette performance est d’autant plus remarquable que le nouveau processus utilise des techniques d’élaboration conventionnelles. Du point de vue technologique, l’amélioration du processus provient principalement d’une réduction du coefficient de réflexion du wafer de silicium polycristallin quelle que soit l’orientation des grains de silicium et cela avec une faible diminution de l’épaisseur du wafer de silicium (moins de 1 micron).

Concernant l’élaboration des cellules photovoltaïques inorganiques, des articles récents semblent indiquer l’avènement du contrôle à l’échelle atomique dans des processus de synthèses. On peut citer, par exemple, les travaux issus de l’association de chercheurs de l’Université d’Etat de l’Arizona (ASU) et de l’Institut de Technologie de Géorgie (Georgia Tech). Les chercheurs ont développé une nouvelle approche pour faire croître des cristaux de nitrure de gallium-indium (InGaN). La méthode, développée à Georgia Tech, est appelée épitaxie modulée de métaux (« metal-modulated epitaxy ») et permet une croissance cristalline par dépôts successifs de couches atomiques. Dans le cas de la croissance cristalline de InGaN, les chercheurs ont observé une amélioration de l’uniformité en composition chimique et une réduction des tensions au sein du matériau et aux interfaces avec le substrat. Ces résultats sont très positifs car ces défauts de structure réduisent fortement l’efficacité globale des cellules solaires. Ainsi, d’après le groupe de chercheur cette technique devrait mener à moyen terme à de nouveaux records d’efficacité.

Si l’amélioration de l’efficacité des cellules solaires passe majoritairement par des efforts concernant les matériaux constituant les cellules photovoltaïques, d’autres canaux de perfectionnement sont également étudiées. L’un des canaux les plus prometteurs concerne les cellules solaires dites thermophotovoltaïques ou TPV. Les cellules solaires classiques ne peuvent convertir en électricité au mieux que 30% de l’énergie émise par le soleil (rendement maximum théorique) car seule une portion du spectre électromagnétique est absorbée par le matériau semi-conducteur de la cellule solaire. Les dispositifs thermophotovoltaïques permettent de s’affranchir de la barrière des 30% de rendement maximum théorique et de l’accroître jusqu’à 80%. Une cellule solaire TPV est constituée d’un dispositif absorbeur/émetteur et d’une cellule photovoltaïque dont le spectre d’absorption est centré dans le domaine de l’infrarouge. Le dispositif absorbeur/émetteur est constitué d’une partie, l’absorbeur, qui absorbe les rayons du soleil et les transforment en chaleur, et d’une autre partie, l’émetteur, qui sous l’effet de la chaleur produite par l’absorbeur (>1000°C) est capable d’émettre un spectre électromagnétique dans l’infrarouge. Pour le moment, les cellules solaires TPV démontrent un rendement décevant d’environ 8% dû en grande partie à la faible capacité du matériau émetteur, généralement à base de tungstène, à supporter des hautes températures sur de longues durées. Toutefois, une coopération entre des équipes de l’Université de Stanford et de l’Université de l’Illinois semble avoir fait récemment des progrès significatifs. Cette coopération a permis la création d’un émetteur amélioré constitué d’une nanostructure en 3 dimensions très poreuse à base de tungstène sur laquelle une nanocouche de céramique, le dioxyde d’hafnium, a été déposée. L’enrobage de céramique permet ainsi de conserver l’intégrité de la structure poreuse de tungstène lorsque celle-ci est chauffée à 1400°C et cela pendant une heure. De plus, l’émetteur amélioré conserve sa capacité à produire de la lumière infrarouge. Selon les chercheurs, la prochaine étape sera de tester quels sont les dépôts de céramique les mieux adaptés à une utilisation pour des cellules solaires TPV.

Matériaux organiques

Afin de diminuer les coûts de production des cellules photovoltaïques, la R&D s’est récemment dirigée vers une autre catégorie de matériaux : les matériaux organiques. Au-delà de la réduction des coûts, les cellules organiques apportent des propriétés nouvelles de transparence et de flexibilité aux panneaux photovoltaïques ce qui ouvre le champ des possibilités concernant leurs utilisations telles que sur les fenêtres ou en façade d’immeubles. Les meilleurs taux de conversion des cellules solaires organiques (6-7%) sont obtenus en utilisant des polymères. Or, un rendement minimum de 10% est nécessaire pour que les cellules solaires organiques puissent trouver leur place sur le marché.

En mars dernier, Magnolia Solar Corporation a annoncé que le PVMC a développé et produit une cellule photovoltaïque flexible avec un taux de conversion de 13%, ce qui est assez comparable aux cellules traditionnelles. Ce résultat est le fruit d’une collaboration entre Magnolia Solar, PVMC et CNSE. Leur objectif est de continuer à rendre l’énergie solaire compétitive par rapport aux autres sources d’énergie. Pour cela, Magnolia Solar poursuit ses recherches sur des technologies de revêtements antireflets pour les cellules photovoltaïques.

L’amélioration des taux de conversion pourrait également venir d’ajouts de nanoparticules métalliques au sein des cellules solaires organiques afin d’en exploiter les propriétés d’absorption plasmoniques comme en témoigne une analyse sur le domaine publiée en mai 2013 par un consortium de chercheurs américains. Les auteurs discutent de l’apport des nanostructures plasmoniques aux cellules photovoltaïques organiques du point de vue de leurs performances, notamment concernant l’élargissement de la bande d’absorption des photons et l’absorption omnidirectionnelle, mais aussi du point de vue de leur intégration dans les dispositifs finaux. Les performances sont ainsi exacerbées par l’utilisation des nanoparticules métalliques, utilisées en partie en raison de leur facilité de synthèse. De plus, il a été observé que les nanoparticules de taille inférieure à 20 nm agissent comme des antennes qui accroissent la gamme d’absorption des longueurs d’ondes de la lumière alors que les particules ayant un diamètre supérieur à 40 nm permettent d’allonger le chemin optique de la lumière à travers les couches de la cellule. D’après les auteurs, en intégrant des nanostructures plasmoniques à l’avant et à l’arrière des électrodes métalliques, il serait alors possible d’améliorer les propriétés des cellules photovoltaïques organiques mais également de franchir la barre des 10% en rendement.

Matériaux à base de carbone

Du fait de leurs propriétés physico-chimiques parfois étonnantes, le graphène et les nanotubes de carbone reçoivent une attention toute particulière dans les différentes branches de la recherche scientifique. Cela est également vrai dans la recherche concernant les cellules photovoltaïques. Plusieurs équipes américaines ont publié cette année des articles traitant de l’utilisation de ces matériaux afin d’améliorer les rendements des cellules solaires ou alors encore afin de diminuer leurs coûts de production.

A l’Université Technologique du Michigan, l’équipe du Professeur Yun Hang Hu a trouvé un moyen de diminuer les coûts de production des cellules à pigments photosensibles (cellules de Gratzel). Ils ont eu l’idée de remplacer le platine, matériau rare donc très cher, par une structure en 3 dimensions à base de graphène. Les cellules de Gratzel sont des cellules photoelectrochimiques dont le principe est basé sur la photosynthèse végétale. Elles produisent de l’énergie grâce à un pigment photosensible présent dans l’électrolyte, excité par le rayonnement solaire. Ces cellules présentent l’avantage d’être 2 fois moins chères que leurs analogues classiques à base de silicium, d’être faciles à produire, souples, transparentes mais surtout elles produisent de l’énergie même en l’absence d’ensoleillement direct. Bien que la majorité des matériaux qui composent ces cellules soient bon marchés, il est, en général difficile de se passer des matériaux précieux tels que le platine. C’est la prouesse qu’a réussi à réaliser l’équipe du Dr. Hu sans pour autant affecter le rendement du système. Pour obtenir leur graphène 3D sous forme de nid d’abeille, ils ont développé une nouvelle approche de synthèse en faisant réagir l’oxyde de lithium avec le monoxyde de carbone pour former le carbonate de lithium et le graphène sous forme de nid d’abeille 3D:

Li2 + CO à Li2CO3 + graphène 3D

Dans cette réaction, les particules de carbonate de lithium permettent la formation et la séparation les unes des autres des différentes feuilles de graphène afin d’éviter qu’elles s’agrègent. Le carbonate de lithium est ensuite éliminé facilement en présence d’acide, formant ainsi le graphène nid d’abeille 3D.

Etant donné la conductivité et la forte capacité catalytique de ce graphène 3D, les chercheurs l’ont intégré dans une cellule de Gratzel en remplacement de la contre électrode en platine et ont mesuré la quantité d’électricité produite en présence de soleil. Une conversion de 7,8% de l’énergie solaire a été observée ; taux comparable à celui obtenu par leur analogue contenant du platine. Cette découverte constitue une avancée importante dans la réduction des coûts de production des cellules de Gratzel, le graphène nid d’abeille 3D étant facile à synthétiser et peu coûteux.

De son côté, l’équipe du Professeur Ramaraja Ramasamy à l’Université de Géorgie, s’est inspiré de la nature pour mettre au point une technologie capable d’utiliser les plantes pour générer de l’électricité à partir du soleil. En effet, au cours de la photosynthèse, la plupart des plantes convertissent un photon reçu en un électron (taux de 100%). L’équipe a développé un moyen d’interrompre cette photosynthèse juste après la production des électrons. Pour cela ils ont isolé les thylacoïdes, structures des plantes responsables du stockage des électrons et donc de l’énergie, et ils ont modifié les protéines qui les constituent. Les thylacoïdes modifiés sont ensuite immobilisés sur des nanotubes de carbone qui capturent les électrons et les font circuler le long d’un fil.

Leurs premiers essais ont montré la production d’un courant 100 fois plus important que dans des systèmes similaires. L’équipe travaille aujourd’hui sur la stabilité de leur système et ils espèrent que cette technologie pourra, à terme, être appliquée à de petits dispositifs électroniques qui nécessitent peu de puissance ; et pourquoi pas concurrencer les panneaux solaires traditionnels.

Une démonstration de faisabilité de cellules solaires à base de nanotubes de carbone ultrafins et de fullerène à faibles coûts de production a été également faite par l’équipe du Dr. Michael Arnold à l’Université du Wisconsin-Madison. Cette démonstration a présenté un taux de conversion de 1% mais les auteurs pensent qu’en augmentant l’épaisseur de la couche de nanotubes de carbone de 5 nm à 100 nm, ils devraient atteindre des taux de conversion semblables à ceux des panneaux solaires à base de silicium.

De nouveaux designs de dispositifs photovoltaïques pour stocker l’électricité produite

L’utilisation d’énergie produite par les cellules solaires 24/24h et 7/7j passera par l’amélioration des dispositifs photovoltaïques permettant simultanément de créer de l’électricité et de la stocker pour pouvoir l’utiliser en l’absence de soleil. Cela revient à coupler ou intégrer un système de stockage aux cellules photovoltaïques. C’est dans cette optique que l’équipe du Professeur Cary L. Pint, à l’Université de Vanderbilt, a développé le premier supercondensateur en silicium qui peut être intégré directement sur les zones silicium non exploitées ou au dos des cellules photovoltaiques représentant ainsi une vraie économie. Le stockage se fait sous forme d’assemblages d’ions à la surface du matériau poreux permettant ainsi des charges et décharges du condensateur très rapides mais également un nombre de cycles de l’ordre de quelques millions. Ce supercondensateur se comporte comme une batterie de petite taille ce qui permet d’envisager son intégration à de petits dispositifs électroniques tels que les téléphones portables.

Afin d’accroître la capacité de stockage des supercondensateurs, la recherche s’est tournée vers des nanomatériaux, comme le graphène, capable de stocker les charges à la surface d’électrodes à forte surface spécifique. Le principal challenge ici est d’assembler les différents éléments à l’échelle nanométrique. Pour pallier à ce problème, l’équipe du Professeur Pint a fait le choix d’une approche différente en utilisant du silicium poreux nanostructuré et dont la fabrication est facilement reproductible. Pour s’affranchir de la réactivité du silicium avec certains éléments chimiques présents dans les électrolytes, ils ont recouvert le supercondensateur en silicium avec du carbone avant de le chauffer à faible température, 600-700°C. Ils ont observé la formation de graphène, ce qui était inattendu pour cette température étant donné que ce dernier croît normalement à 1400°C. Cet habillage de graphène a stabilisé chimiquement la surface du silicium évitant ainsi sa dégradation avec les électrolytes et préservant sa structure. De plus, il a permis d’augmenter la densité énergétique de stockage par un facteur 100 par rapport à l’analogue sans graphène, et de manière significative par rapport aux supercondensateurs commerciaux. Ces dispositifs semblent capables de stocker l’excès d’électricité produit durant la journée et de le relâcher lorsque cela est nécessaire, permettant ainsi d’augmenter le rendement énergétique.

De son côté, à l’Université du Wisconsin-Madison, l’équipe du Professeur Jiang a développé un nouveau design de panneaux photovoltaïques capables de produire et de stocker l’électricité dans une même cellule [19]. Ils ont été même plus loin puisse qu’ils ont également conçu une cellule pouvant être intégrée à d’autres dispositifs comme les lentilles de vue par exemple. Pour cela, ils ont proposé un nouveau design de panneaux solaires avec, en dessous de la photo-électrode traditionnelle, des nanofils d’oxyde de zinc recouverts d’une couche de polymère polyvinylidène fluoré (PVDF). Lors de la conversion de la lumière en électrons, une partie des électrons sert à alimenter un dispositif électrique et une autre partie est absorbée par le PVDF. En effet, ce polymère a une constante diélectrique suffisamment importante pour permettre le stockage de l’électricité et de la redistribuer lorsque cela est nécessaire. Le dispositif final permet à une cellule solaire standard de produire et de stocker l’électricité dans le même temps.

Leur prototype a mis en évidence un taux de conversion de 4% d’énergie solaire en électricité, ce qui reste bien inférieur aux cellules photovoltaïques commercialisées. Cependant, le Dr. Jiang pense pouvoir accroître les taux de conversion et de stockage en affinant le design de la cellule photovoltaïque.

Ces nouveaux modèles de panneaux solaires pourraient être intégrés sur les façades d’immeubles ou dans des zones avec des éclairages commandés à distance.

Source : bulletins-electroniques