Panneaux solaires à couche mince
Les installations photovoltaïques, aussi appelées « panneaux solaires » dans le langage courant, peuvent être fabriquées non seulement en silicium mais aussi dans d’autres matériaux. Avec les panneaux solaires dits « à couches minces », surtout ceux fabriqués en pérovskite sont promis à beaucoup de choses. En à peine deux décennies, on est parvenu à porter le taux de rendement des panneaux solaires en pérovskite en gros au même niveau que les meilleurs panneaux solaires à base de silicium. Par comparaison, les panneaux à base de pérovskite présentent toute une série d’avantages attrayants (mais aussi d’inconvénients) – procédons par ordre.
Que sont les pérovskites ?
Le matériau appelé « pérovskite » (qui doit son nom à un minéralogiste russe) désigne à l’origine l’oxyde de calcium et titane (Ca2TiO3) également appelé titanate de calcium. L’acception du terme a par la suite été étendue à des matériaux présentant une structure cristalline particulière comparable (orthorhombique à cubique). Les pérovskites sont donc des matériaux de structure ABX3, où A, B et X peuvent représenter des éléments et composés différents. Un panneau solaire à base de pérovskite (Pk) contient, outre la couche de Pk, encore de nombreux composants : la stratification optimale, offrant la meilleure stabilité mécanique et le rendement le plus élevé possible est étudiée par de nombreux laboratoires de recherche et entreprises dans le monde entier.
Les avantages des panneaux solaires en pérovskite
Les panneaux en Pk offrent une série d’avantages qui les rendent attractifs comme alternative aux cellules en silicium. De 2009 à 2024, le rendement en laboratoire des cellules en Pk est passé de 3,8 à 26,1 %, ce qui lui fait presque égaler le rendement le plus élevé jamais atteint par des cellules en Si (26,8 %). Toutefois, si les cellules en Si convertissent surtout la lumière rouge et infrarouge, celles en pérovskite peuvent aussi utiliser des longueurs d’onde lumineuse plus courtes. La démarche la plus prometteuse paraît donc consister en ceci : combiner des couches en Pk et en Si pour exploiter le plus possible l’intégralité du spectre lumineux pour en extraire de l’énergie – nous allons revenir plus loin sur ces panneaux solaires en tandem.
À la fabrication, les pérovskites requièrent nettement moins d’énergie que le silicium, lequel a besoin de températures supérieures à 1000 °C, et vu la finesse des couches, il faut beaucoup moins de matière (facteur 100 !) Les panneaux en Pk sont d’une installation plus flexible et s’accompagnent d’options supplémentaires dont la configuration de la couleur et la transparence. De la sorte, les panneaux en Pk sont attractifs pour de nombreuses surfaces qui ne peuvent pas être recouvertes avec des panneaux en Si, par exemple les murs des maisons, les toits à faible capacité de charge et de nombreuses autres surfaces.
Quels sont les défis en présence ?
Jusqu’à présent, presque tous les records en matière de rendement et les acquis en matière de conception ont été atteints avec des panneaux en pérovskite en laboratoire et sur de petites surfaces – le passage à une autre échelle et l’industrialisation ne sont pas encore pour tout de suite. Le problème principal, dans la pratique, réside dans la conservation et la robustesse des panneaux en Pk : ils sont plus sensibles à l’humidité et aux facteurs environnementaux que les panneaux en Si (durée de vie d’env. 25-30 ans), de sorte qu’actuellement leur durée de vie est estimée entre quelques mois et un petit nombre d’années.
Actuellement une recherche intensive est en cours pour accroître la durée de vie. Il existe à ce titre plusieurs démarches telles que la restriction de la mobilité des ions, la réduction des réactions chimiques (par encapsulage) et l’utilisation de couches-limites plus robustes. Dans un article publié dans Nature en début d’année, des chercheurs chinois décrivent comment ils ont réussi à créer des panneaux en Pk stables via un mouvement restreint et contrôlé des ions sur la couche de pérovskite, panneaux qui ont aussi donné de très bons résultats au cours de tests sous contraintes de longue durée.
Que sont les panneaux solaires en tandem ?
Actuellement, ce sont les panneaux solaires en tandem composés de couches de silicium et de pérovskite qui offrent le plus vaste potentiel. Si l’on combine ces deux matériaux, de plus vastes pans du spectre lumineux peuvent être utilisés et l’on parvient même à des rendement au-delà des 33,2 % qui représentent la limite physique d’un matériau individuel. Le record actuel se chiffre à 33,9 %, donc bien au-dessus de la valeur qui peut être atteinte avec des panneaux purement en silicium. En principe, des panneaux tandem et multiples avec couches uniquement en pérovskite sont possibles (et offrent des rendements similaires), mais alors le problème de leur stabilité se complique.
Quels sont les développements actuels ?
En qualité de premier fabricant commercial au monde, Oxford PV a livré en septembre 2024 les premiers modules tandem en pérovskite et silicium à un client basé aux États-Unis. Fabriqués à proximité de Berlin, ces panneaux à 72 cellules atteignent un rendement élevé, de 24,5 % ; on ne sait rien jusqu’à présent de la durée de vie à attendre. Il faut attendre pour voir dans quelle mesure cela pourrait marquer le début d’une nouvelle ère dans la génération d’énergie solaire ; ce qui est sûr, c’est que le potentiel de la technologie à base de pérovskite est énorme en ce qui concerne le délai d’amortissement.
Quelles sont les prestations d’INGUN dans le photovoltaïque ?
Aussi bien l’optimisation du rendement des panneaux solaires que leur fabrication dans son ensemble dépendent de techniques de contrôle appropriées qui permettent une mise en contact avec le moins possible d’ombre portée. Les pointes de test INGUN sont spécialisées dans la minimisation des ombres portées. En outre, la technique quadrifilaire permet de compenser l’influence des lignes ainsi que de mesurer simultanément l’intensité et la tension sur la pièce à tester. En collaboration avec ses clients, ses partenaires et des laboratoires de recherche, INGUN développe en permanence des solutions nouvelles indispensables à des technologies innovantes pour atteindre la maturité commerciale, par exemple les bandes de test pour la mise en contact des cellules solaires sans barre-bus.