Ils ont fait la technologie en 2014 : en avril, Daniel Lincot de l'IPVF diffuse le photovoltaïque "design in France"

Obtenir le meilleur rendement au meilleur prix. Tout le parcours de Daniel Lincot a été marqué par cet objectif, dans le domaine des cellules solaires à couches minces dites Cigs (pour cuivre, indium, gallium et sélénium). Pour faire baisser les coûts de production de cette technologie à haut rendement permettant de s'affranchir du silicium et de réaliser des cellules flexibles, le chercheur s'est attaché à la rendre industrialisable. Pour cela, il a sorti les semi-conducteurs des salles blanches, pour oser le dépôt des couches de la cellule en solution, sur une simple paillasse.

Près de 23 ans plus tard, Daniel Lincot parle toujours du solaire avec passion. Un intérêt né au cours de ses études à l'École supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (ESPCI), à la fin des années 1970. « Avec un club de l'école, nous faisions du thé aux touristes dans le jardin du Luxembourg, grâce à une parabole qui réfléchissait l'énergie solaire », se souvient-il.

L'activité autour de l'énergie solaire est alors en plein essor en Europe, après ses premiers succès dans le spatial. Daniel Lincot y voit un moyen d'associer son envie de faire de la science avec sa sensibilité pour les questions sociétales. Il pousse au culot les portes du Comes, précurseur de l'actuelle Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (Ademe). « Tandis que j'étais encore dans le secrétariat en train d'expliquer mon désir de faire une thèse, la porte de Michel Rodeau, le directeur du Comes s'ouvre. Vous voulez travailler dans le solaire ? Venez me voir ». Une rencontre marquante qui confirme son orientation. Il n'en déviera plus.

Obtenir des cellules peu onéreuses à haut rendement

Après sa thèse, Daniel Lincot entre au laboratoire d'électrochimie des semi-conducteurs à l'ENSCP. Composée de différentes couches très fines, de l'ordre du micromètre ou du nanomètre, les cellules à couches minces sont alors encore fabriquées par des méthodes sous vide coûteuses.

« Traditionnellement, les semi-conducteurs étaient fabriqués par des méthodes dites ‘‘ultrapures’’, dans des salles blanches et sous ultravide. Nous travaillions sur une alternative dans un bécher, sur une simple paillasse. Au début des années quatre-vingt-dix, notre travail suscitait l'étonnement et le scepticisme des autres chercheurs ».

Malgré les critiques, Daniel Lincot met au point en 1991 un procédé de dépôt par voie chimique de la couche de sulfure de cadmium (CdS) à partir de sels métalliques et de thiourée, un composé soufré, en milieu ammoniaque, avec un chauffage à 70°C.

« Lorsqu'on chauffe le bécher, la thiourée se décompose en ions sulfures, qui précipitent avec les ions métalliques. On trempe la plaque de Cigs dans le bécher, et elle se recouvre en quelques minutes d'une couche jaune, le sulfure de cadmium. De très bonne qualité, le revêtement suit la surface comme son ombre ». Permettant d'obtenir des cellules peu onéreuses à haut rendement, le procédé est jugé prometteur.

L'équipe de Daniel Lincot cherche alors à diminuer la quantité de déchets liés au dépôt de CdS, qui précipite aussi sur les parois du bécher et forme des colloïdes dans l'eau. « Je me suis inspiré du procédé de développement des photos argentiques pour mettre au point le procédé du réacteur dit ‘‘photovoltaïque’’. La plaque de Cigs est mise à tremper à plat dans une fine couche de liquide. Les ions sulfure sont immédiatement pompés et n'ont pas le temps de former des colloïdes ». Ainsi modifié, le procédé devient un standard industriel.

En parallèle, l'équipe parvient à déposer par électrolyse une couche de Cigs sur le molybdène. Puis l'ensemble des couches de la cellule, à l'exception de la couche de molybdène. Mais si la modification du mode d'obtention de la couche de sulfure de cadmium avait tiré les coûts à la baisse sans altérer le rendement, ces nouvelles cellules sont, elles, nettement moins performantes. Elles ne séduisent pas l'industrie.

« Nous n'arrivions pas à atteindre les records mondiaux obtenus par les procédés de co-évaporation alors que finalement ce qui importait, c'était toujours le prix du kilowattheure, et non le rendement ». Il faudra attendre 1998 pour qu'EDF offre à l'équipe de nouveaux moyens pour développer leur technologie. En 2005, Daniel Lincot y crée au sein du Centre R&D d'EDF à Chatou (Yvelines) avec Olivier Kerrec, d'EDF, l'Institut de recherche et de développement de l'énergie photovoltaïque (Irdep).

Des cellules solaires fabriquées par voie aqueuse

En 2009, quatorze chercheurs de l'Irdep, dont Olivier Kerrec, créent la spin off Nexcis pour transformer l'essai. Ils s'installent à Rousset (Bouches-du-Rhône), dans une ancienne fabrique de STMicroélectronics, afin de commercialiser des cellules solaires Cigs entièrement fabriquées par voie aqueuse, d'un rendement de 16 % en laboratoire et de 13 % assemblées en modules. L'entreprise compte aujourd'hui 85 personnes. Elle ouvrira cette année son premier pilote industriel. Persuadé que « sans l'industrie, il n'y a pas de développement de la recherche », Daniel Lincot travaille main dans la main avec la jeune pousse. Mais lui est resté fidèle à l'Irdep. « J'ai préféré continuer les recherches plus fondamentales sur l'amélioration des cellules photovoltaïques ». Ses projets portent notamment sur la conception de cellules cent fois plus minces pour pallier la rareté des matières premières, ou à de plus petite surface, avec une concentration de la lumière en amont. Autant d'idées lumineuses pour continuer à démocratiser des cellules solaires de hautes performances.

Philippe Passebon

Un procédé de dépôt économique

Les cellules à couches minces d'une épaisseur de 2 micromètres, sont composées de cinq couches. De bas en haut : un substrat de verre, une couche de molybdène (Mo), une couche de Cigs (cuivre, indium, gallium, sélénium), une couche de sulfure de cadmium (CdS) ou de zinc (ZnS) et enfin une couche d'oxyde de zinc (ZnO). Les procédés en phase aqueuse permettent de déposer les unes sur les autres les différentes couches par voie chimique ou électrochimique, à l'exception du molybdène sur le verre. Le CdS ou le ZnS est ainsi déposé par trempage de la plaque de Cigs dans une solution aqueuse contenant des sels métalliques et un composé soufré à une température de 70°C.

 

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