L'énergie solaire, source d'énergie propre et illimitée, devient progressivement la priorité du secteur énergétique mondial actuel. Grâce aux efforts conjoints des gouvernements, des entreprises et des instituts de recherche, la technologie de production d'énergie solaire est en constante innovation, offrant une variété de formes et de scénarios d'application. La Terre est continuellement exposée à environ 173 000 TW de rayonnement solaire, soit plus de dix fois la demande mondiale moyenne d'électricité. Cela signifie que l'énergie solaire a la capacité de répondre à tous nos besoins énergétiques.
Il existe actuellement trois principaux types de cellules solaires [également appelées cellules photovoltaïques (PV)] sur le marché. Chacun présente des avantages spécifiques en termes d'efficacité, de coût et de longévité.
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Cristalline
La plupart des panneaux solaires de toiture résidentiels sont fabriqués en silicium monocristallin de haute pureté. Ces dernières années, ce type de cellule a atteint des rendements supérieurs à 26% et une durée de vie de plus de 30 ans. Les panneaux solaires domestiques actuels affichent un rendement d'environ 22 %.
Le silicium polycristallin coûte moins cher que le silicium monocristallin, mais il est moins efficace et a une durée de vie plus courte. Un rendement moindre nécessite davantage de panneaux et des surfaces plus grandes.
Les cellules solaires basées sur la technologie multijonction à l'arséniure de gallium (GaAs) sont plus performantes que les cellules solaires conventionnelles. Ces cellules présentent une structure multicouche, chaque couche utilisant des matériaux différents, tels que le phosphure d'indium et de gallium (GaInP), l'arséniure d'indium et de gallium (InGaAs) et le germanium (Ge), pour absorber les différentes longueurs d'onde de la lumière solaire. Bien que ces cellules multijonctions soient censées atteindre un rendement élevé, elles souffrent encore de coûts de fabrication élevés et d'un manque de maturité en recherche et développement, ce qui limite leur viabilité commerciale et leurs applications pratiques.
02
Film mince
Les modules photovoltaïques en tellurure de cadmium (CdTe) constituent la base des produits photovoltaïques à couches minces sur le marché mondial. Des millions de ces modules ont été installés dans le monde, avec une capacité de production maximale de plus de 30 GW, et sont principalement utilisés dans les centrales électriques de grande capacité aux États-Unis.
Dans cette technologie à couches minces, la teneur en cadmium d'un module solaire d'un mètre carré est inférieure à celle d'une cellule nickel-cadmium (Ni-Cd) de taille AAA. De plus, le cadmium contenu dans le module solaire est lié au tellure, un matériau insoluble dans l'eau et stable jusqu'à 1 200 °C. Ces facteurs atténuent le risque de toxicité lié à l'utilisation du CdTe dans les cellules à couches minces.
Le tellure est présent dans la croûte terrestre à une concentration de seulement 0,001 partie par million (ppm). Tout comme le platine est un élément rare, la rareté du tellure influence considérablement le coût des modules CdTe. Il est toutefois possible d'atténuer ce problème grâce à des pratiques de recyclage.
Les modules CdTe peuvent avoir des rendements allant jusqu'à 18,6%, avec des rendements de cellules capables de dépasser 22% dans un environnement de laboratoire. [5] Le remplacement du dopage au cuivre, utilisé depuis longtemps, par un dopage à l'arsenic pourrait augmenter considérablement la durée de vie du module à un niveau comparable à celui des cellules cristallines.
03
Technologies émergentes
Les nouvelles technologies photovoltaïques utilisant des films ultra-minces (moins d'un micron) et des techniques de dépôt direct réduiront les coûts de production et fourniront des semi-conducteurs de haute qualité pour les cellules solaires. Ces technologies devraient concurrencer des matériaux déjà connus tels que le silicium, le tellurure de cadmium et l'arséniure de gallium.
Il existe trois technologies de couches minces bien connues dans le domaine : le sulfure de cuivre-zinc-étain (Cu2ZnSn4 ou CZTS), le phosphure de zinc (Zn3P2) et les nanotubes de carbone monoparoi (SWCNT). En laboratoire, les cellules solaires au séléniure de cuivre-indium-gallium (CIGS) ont atteint un rendement maximal impressionnant de 22,4 %. Cependant, reproduire de tels niveaux de rendement à l’échelle commerciale reste un défi.
Les cellules à couches minces de chalcogénure de plomb et d'halogénure de plomb constituent une technologie solaire émergente fascinante. La calcitonite est une classe de substances dont la structure cristalline est typique de la formule chimique ABX3. Il s'agit d'un minéral jaune, brun ou noir dont le principal composant est le titanate de calcium (CaTiO3). Les cellules solaires empilées à base de silicium et de titanate de calcium produites à l'échelle commerciale par Oxford PV au Royaume-Uni ont atteint un rendement record de 28,6 % et entreront en production cette année.
En quelques années seulement, les cellules solaires à base de chalcogénure ont atteint des rendements similaires à ceux des cellules à couches minces de tellurure de cadmium existantes. Aux débuts du développement des cellules à calcite, la longévité était un enjeu majeur, si courte qu'elle ne se mesurait qu'en mois.
Aujourd'hui, les cellules solaires au chalcogénure atteignent une durée de vie de 25 ans ou plus. Leurs avantages actuels sont un rendement de conversion élevé (supérieur à 25%) et de faibles coûts de production ainsi que des températures de fabrication réduites.
L'évolution de l'énergie solaire, d'une source d'énergie spécialisée à une source d'énergie grand public, témoigne de son potentiel à répondre, voire à dépasser, nos besoins énergétiques. Si les cellules solaires cristallines dominent actuellement le marché, les avancées dans les couches minces et les technologies émergentes, telles que le tellurure de cadmium (CdTe) et le chalcogénure (CdTe), ouvrent la voie à des applications solaires plus efficaces et intégrées. Le solaire reste confronté à de nombreux défis, tels que l'impact environnemental de l'extraction des matières premières et les goulots d'étranglement de la production, mais il s'agit d'un secteur prometteur, innovant et en pleine croissance.
Grâce à un juste équilibre entre avancées technologiques et pratiques durables, la croissance et le développement de l'énergie solaire ouvriront la voie à un avenir énergétique plus propre et plus abondant. C'est pourquoi elle connaît une croissance significative dans le mix énergétique américain et promet d'être une solution durable à l'échelle mondiale.
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