Traque aux prix bas sur le photovoltaïque

La réduction des coûts de fabrication stimule les recherches sur des matériaux pouvant se substituer au silicium. Mais celui-ci n'a pas dit son dernier mot. Des méthodes de production moins coûteuses voient le jour.

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Traque aux prix bas sur le photovoltaïque

Difficile de rivaliser avec une technologie établie. Matériau roi du photovoltaïque depuis des décennies, le silicium a eu le temps de parfaire ses performances : un rendement de 17 % de l'énergie solaire reçue (pour des cellules industrielles) et une durée de vie de plusieurs décennies conviennent pour nombre d'applications. Ce qui explique que 90 % des cellules photovoltaïques soient à base de silicium. Pourtant, plusieurs filières alternatives, dont certaines arrivent au stade industriel, suscitent un regain d'intérêt. Elles sont tirées par un marché en forte croissance, par la perspective de nouvelles applications (sur support souple, notamment), mais aussi par une relative pénurie et cherté du silicium, dont la production est mobilisée par l'industrie des composants électroniques.

Des cellules sérigraphiées

Quand le matériau est rare et cher (entre 50 et 100 euros le kilo pour le silicium polycristallin), mieux vaut en utiliser le moins possible. C'est le principe des cellules solaires en couches minces. Mais, en fait, deux filières « couches minces » aujourd'hui à maturité ont abandonné le silicium pour d'autres semiconducteurs : le tellurure de cadmium (CdTe), et le cuivre/indium/sélénium (CIS). Leur rendement atteint 13 % (pour le CIS), et elles sont déjà fabriquées industriellement : l'allemand Würth Solar, qui a démarré en 2006, dispose d'une capacité de 15 MWc en CIS, qu'il compte doubler en 2008.

L'américain First Solar produit lui des cellules CdTe aux Etats-Unis, et depuis juillet 2007, en Allemagne. Il projette de construire une usine en Malaisie. Des unités de plus de 100 MWc...

Saint-Gobain et Shell, quant à eux, ont créé Avancis, joint-venture à 50-50, qui doit démarrer en 2008 la production de panneaux solaires CIS en Allemagne. Et d'autres projets ont été lancés par Miasolé (Etats-Unis), Scheuten (Hollande), ou encore Johanna Solar (Allemagne). La fabrication des cellules repose sur des techniques de dépôt sous vide. La couche semiconductrice ne fait que 2 à 3 microns, contre 200 à 300 microns dans le cas du silicium cristallin. Les producteurs s'efforcent d'améliorer le contrôle du procédé, afin d'augmenter le rendement de fabrication, celui des cellules, et leur stabilité dans le temps. Des progrès nécessaires si l'on veut faire descendre le coût de production en-dessous du seuil symbolique de 1 euro par watt crête (la filière silicium est autour de 2,2 euros/Wc).

C'est dans ce but que d'autres start-up américaines (Nanosolar, Heliovolt) ont levé des fonds importants sur des projets d'usines de cellules du type CIS, mais utilisant un procédé de sérigraphie (« impression »), réputé efficace et économe. « C'est le nec plus ultra en termes de coût de production et d'adaptation à tous les substrats. Mais il reste à prouver que c'est industrialisable », commente Olivier Kerrec, le directeur de l'Irdep, à Chatoux (Hauts-de-Seine), laboratoire qui, de son côté, travaille sur la fabrication de cellules CIS par dépôt électrolytique. L'Irdep, formé par EdF, le CNRS et l'ENSCP, mène le projet Cisel, basé sur un procédé de dépôt à la pression atmosphérique (et non plus sous vide) qui pourrait faire baisser le coût de production en-dessous de 1 euro par watt. « Nous avons franchi l'étape de la recherche, qui a validé le procédé sur de petites surfaces de cellules. Il faut maintenant passer à une phase d'ingénierie, avec pour objectif d'obtenir un rendement de 10 % sur des surfaces de 0,1 m², puis 1 m² », affirme Olivier Kerrec. L'objectif est de bâtir une solution concurrente de l'actuel silicium amorphe sur substrat léger (métal), dont le rendement est aujourd'hui compris entre 5 et 7 %.

Utiliser des polymères ou des molécules organiques

La rupture avec les filières du silicium est encore plus franche dans les projets de recherche qui misent sur l'utilisation de polymères ou de molécules organiques. En France, le projet Nanorgysol réunit une vingtaine de laboratoires (CEA, CNRS, universités) qui développent une cellule constituée d'un polymère donneur d'électrons, un polythiophène, et d'un accepteur dérivé du fullerène (PCBM). « Notre objectif est d'atteindre fin 2007 un rendement de 5 % sur 1 cm2 », indique Rémi de Bettignies, qui pilote le projet à l'Ines (Institut national de l'énergie solaire), au Bourget (Savoie).

Grâce à des techniques de fabrication sur support souple inspirées de l'impression, la technologie à base de polymères pourrait trouver sa place dans des applications « nomades » (tapis de rechargement de batteries, tentes....). A condition d'améliorer et de stabiliser les performances, ce qui semble faisable en jouant sur la chimie et la morphologie (cristallisation) des matériaux, et de mettre au point un système d'encapsulation pour cellules flexibles qui protégera les cellules de l'oxygène et de la vapeur d'eau. En Allemagne, un important projet associe BASF, Bosch, Merck AG, à la start-up Heliatek, pour fabriquer des cellules à base de molécules organiques. Aux Etats-Unis, c'est Konarka, fondée en 2001, qui porte le flambeau de la filière organique, mais sans avoir, à ce jour, mis de véritables produits sur le marché.

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A savoir


> Silicium monocristalllin
Ce matériau pur à 99,99999 % se présente sous la forme d'un cristal unique de grande dimension. Il offre les meilleurs rendements.
>Silicium polycristallin
Formé de plusieurs cristaux juxtaposés, moins coûteux, il offre une moindre performance.
>Silicium amorphe
Non cristallin, il est produit par pulvérisation cathodique de silicium ou décomposition du silane. Rendement à la hauteur de son coût : faible.
>Silicium métallurgique
Pur à 99 % seulement, il peut être raffiné à 99,999 % pour les applications photovoltaïques tout en restant bon marché.
> Cellules organiques
Fabriquées avec des matériaux non minéraux. Performances insuffisantes pour l'instant.


Le silicium cherche lui aussi à améliorer ses performances. Schéma-tiquement, il existe deux façons de le rendre encore plus attractif : inventer des procédés de fabrication moins coûteux ou augmenter le rendement des cellules. S'il était possible de transformer les 5 % de rendement du silicium amorphe en 14 ou 15 %, avec un surcoût limité, sa compétitivité serait toute autre.

Aux Etats-Unis, c'est la voie dans laquelle s'est engagé United Solar. L'industriel a obtenu 13 % de rendement avec un dispositif expérimental constitué de trois jonctions superposées captant chacune une partie du spectre solaire. A échelle industrielle, United Solar fabrique des cellules couches minces sur support Inox dont le rendement se situe entre 6 et 8 %. En Suisse, Flexcell propose des cellules assez semblables mais sur substrat plastique souple. Le recours aux nanotechnologies constitue une autre piste prometteuse. L'Ines s'intéresse ainsi à des cellules « tandem » dans lesquelles l'ajout d'une « brosse » de nanofils de silicium (2 micromètres d'épaisseur) sur un substrat massif permet d'atteindre des rendements de 43 %. En théorie du moins...

Objectif : 1 euro par watt crête


> Les cellules au silicium cristallin actuelles ont un coût de production situé de 2 à 2,5 euros par watt crête (Wc).
> Les investissements en production et les recherches en cours pourraient faire descendre le prix à à 1,5 euro/Wc pour le silicium cristallin.
> Les nouvelles filières visent un coût de moins de 1 euro/Wc.

En pratique, les meilleurs chiffres émanent du japonais Sanyo dont les cellules HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer), en silicium monocristallin recouvert de nanocouches de silicium amorphe, frisent les 20 % de rendement. Il semble difficile de faire beaucoup mieux.

D'où la recherche de procédés susceptibles de créer une véritable rupture économique. En France, Emix s'est lancé avec succès dans la fabrication de silicium polycristallin par coulée continue et fusion en creuset froid inductif. A la clé, des coûts de production divisés par deux par rapport au procédé traditionnel. Encore à l'état de projet, l'utilisation de silicium métallurgique, cinquante fois moins coûteux que le silicium de qualité électronique, suscite de grands espoirs.

Supprimer l'étape du sciage du silicium

En Rhône-Alpes, le fabricant de modules Photowatt devrait bientôt bénéficier des retombées du programme Photosil (Ferropem, Appolon Solar, CEA, CNRS...), centré sur la purification plasma. L'objectif est de réduire d'au moins 30 % le coût du watt produit avec un silicium de qualité intermédiaire mais suffisante pour afficher 14 % de rendement. Pour baisser les coûts, on peut aussi mieux scier les tranches de silicium, voire supprimer l'étape de sciage... A cet effet, des sociétés comme Solar Force, en France, ou Evergreen Solar, aux Etats-Unis, veulent produire du silicium « en ruban » sortant d'un creuset directement à la bonne épaisseur, autour de 200 micromètres. Le silicium, on le voit, n'a pas dit son dernier mot.


Jean-Charles Guézel et Thierry Lucas

Quand le silicium est traité comme une céramique


Ni fusion ni tronçonnage ni sciage des tranches de silicium... Alain Straboni, professeur à l'université de Poitiers, devenu patron de la start-up S'tile (6 personnes), veut remplacer toutes ces étapes par une seule : le frittage des poudres brutes sous charge mécanique. Outre les gains d'énergie et de matière, le procédé permet de réaliser des panneaux photovoltaïques de formes irréalisables jusqu'à présent. De 7 % initialement, le rendement du matériau peut grimper à 15 % après passage sous une lampe chaude pour recristalliser les grains.

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