Innovations actuelles et à venir dans les technologies des cellules solaires

L’énergie solaire, troisième source d’énergie renouvelable après l’hydroélectricité et le vent, est apparue comme une alternative propre, durable et puissante aux combustibles fossiles. La lumière solaire qui frappe la Terre représente plus de 10 000 fois la consommation totale d’énergie dans le monde, et les technologies permettant de récolter autant d’énergie solaire que possible connaissent un essor rapide. Depuis les premiers panneaux solaires commerciaux en silicium (Si) créés par les Laboratoires Bell en 1954, les technologies les plus courantes aujourd’hui utilisent différentes formes de cellules solaires à base de Si et convertissent jusqu’à 20% de la lumière du soleil en électricité.

Selon l’analyse de marché de l’AIE, la production d’énergie solaire photovoltaïque (PV) – le processus de conversion de la lumière du soleil en électricité – a atteint 720 TWh en 2019, contre 585 TWh en 2018, et devrait croître jusqu’à 1 940 TWh d’ici 2025. La capacité mondiale maximale actuelle de l’énergie solaire est de 592 GW, contribuant à 2,2 % de la production mondiale d’électricité.

Quels sont les matériaux innovants actuels et à venir ?

Une cellule solaire typique se compose de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium de type p et n avec une jonction p-n en couches connectée à un circuit externe. L’éclairage des panneaux par la lumière du soleil provoque l’éjection d’électrons du silicium. Les électrons éjectés sous l’effet d’un champ électrique interne créent un flux à travers la jonction p-n et le circuit externe, ce qui donne lieu à un courant (électricité). Avec un marché en croissance rapide et le développement d’applications créatives, la R&D sur les matériaux innovants pour l’énergie solaire est à son apogée pour atteindre une efficacité maximale de la conversion du soleil en électricité à faible coût. Trois types de matériaux semi-conducteurs très étudiés d’aujourd’hui sont le Si cristallin, les films minces et les cellules solaires pérovskites (PSC) de la prochaine génération.

Silicium cristallin

Le silicium cristallin (c-Si) est le matériau semi-conducteur le plus utilisé dans les panneaux solaires, occupant plus de 90% du marché PV mondial, bien que le rendement soit nettement inférieur à la limite théorique (~30%). Des cellules solaires composées de matériaux alternatifs à faible coût et à haut rendement font leur apparition.

Le National Renewable Energy Laboratory (NREL) dirige le développement de PV cristallins à haut rendement, qui comprend des matériaux III-V multijonction (avec un rendement cible de >30%) et des cellules solaires hybrides tandem III-V/Si. Leurs cellules solaires III-V à six jonctions ont atteint un rendement de 47,1 % sous lumière concentrée. En outre, la technologie bifaciale à base de Si peut récolter l’énergie solaire des deux côtés du panneau, avec une efficacité supérieure de 11 % par rapport aux panneaux standard.

Couches minces

Les cellules solaires à couches minces de deuxième génération apparaissent comme l’une des technologies photovoltaïques les plus prometteuses en raison de leur conception étroite (couches absorbant la lumière 350 fois plus petites par rapport aux panneaux Si standard), de leur poids léger, de leur flexibilité et de leur facilité d’installation. Quatre types de matériaux sont généralement utilisés dans leur construction : le tellurure de cadmium (CdTe), le silicium amorphe, le séléniure de cuivre-indium-gallium (CIGS) et l’arséniure de gallium (GaAs). Alors que le CdTe présente un problème de toxicité en raison du cadmium, les cellules solaires CIGS s’avèrent être les options à haut rendement et économiques les plus prometteuses pour les installations résidentielles et commerciales, avec un rendement pouvant atteindre 21 %.

Ascent Solar est l’un des principaux acteurs dans la fabrication de modules CIGS haute performance, leur technologie CIGS super légère et extrême étant utilisée dans les secteurs spatial, aérospatial, gouvernemental et public.

Cellules solaires à pérovskite

Parmi les cellules solaires de nouvelle génération, les cellules solaires hybrides à halogénure métallique à pérovskite (PSC) ont suscité une grande attention en raison de leur faible prix, de leur conception plus mince, de leur traitement à basse température et de leurs excellentes propriétés d’absorption de la lumière (bonnes performances sous une lumière faible et diffuse). Les PSC peuvent être flexibles, légers et semi-transparents. Notamment, les films minces de pérovskite peuvent également être imprimés, ce qui conduit à une fabrication évolutive à haut débit, et un récent PSC imprimé de rouleau à rouleau a atteint une efficacité de 12,2%, la plus élevée parmi les PSC imprimés.

Notamment, les matériaux pérovskite et Si-PV combinés ont montré une efficacité record allant jusqu’à 28% dans des conditions de laboratoire, comme l’a démontré Oxford PV. Bien que la stabilité et la durabilité soient restées une préoccupation majeure, un récent système d’encapsulation à faible coût d’empilement de polymère et de verre a permis aux PSC de résister aux conditions de fonctionnement standard. Bien que les PSC ne soient pas encore commercialisés, ils présentent des avantages économiques et d’efficacité significatifs pour stimuler l’avenir du marché de l’énergie solaire.

Quelles sont les technologies révolutionnaires de cellules solaires intégratives ?

A part les matériaux innovants, des méthodes créatives pour récolter un maximum d’énergie solaire émergent également. Par exemple, la start-up suisse Insolight utilise des lentilles intégrées comme boosters optiques dans le verre protecteur des panneaux pour concentrer les faisceaux lumineux par 200 fois tout en atteignant un rendement de 30%.

Un autre développement récent est la conception de prototypes de dispositifs PV thermoradiatifs, ou panneaux solaires inversés, qui peuvent générer de l’électricité la nuit en utilisant la chaleur irradiée par les panneaux vers l’espace profond couplé optiquement, qui sert de dissipateur thermique.

Intéressant, parallèlement aux matériaux innovants, des applications intégratives autres que les installations standard sur les toits sont également en hausse et en sont actuellement à leurs débuts. Par exemple, la distillation solaire peut récolter l’énergie solaire tout en utilisant la chaleur dissipée des panneaux pour purifier l’eau, s’il y a un accessoire de distillation à membrane intégré.

Une autre technologie transformatrice de l’avenir pourrait être les peintures solaires, qui comprennent la peinture solaire hydrogène (génère de l’énergie à partir de la division de l’eau photovoltaïque), les points quantiques (peinture photovoltaïque), et les peintures à base de pérovskite.

De plus, les fenêtres solaires transparentes sont des applications très innovantes, et Ubiquitous Energy a atteint une efficacité de conversion solaire-électricité de 10% avec leurs matériaux transparents. Une démonstration de l’Université d’État du Michigan, pionnière dans cette technologie, peut être vue dans cette vidéo :

Avec le développement rapide de matériaux semi-conducteurs à faible coût et à haute performance, de films minces peu encombrants et de technologies facilement installables, le marché de l’énergie solaire devrait connaître un boom dans les cinq prochaines années. Malgré le revers causé par la pandémie, la réduction prévue des coûts de 15 % à 35 % d’ici 2024 pour les installations solaires est encourageante et pourrait rendre cette énergie renouvelable plus abordable.

Si vous avez des questions ou si vous souhaitez savoir si nous pouvons aider votre entreprise à relever ses défis en matière d’innovation, veuillez nous contacter ici ou nous envoyer un courriel à [email protected].

.