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Cinq leviers pour atteindre le zénith

THOMAS BLOSSEVILLE tblossevile@industrie-technologies.com

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Un jour, le soleil brillera sur le photovoltaïque... s'il franchit son sempiternel obstacle : son coût. Face aux panneaux en silicium cristallin, la filière reine, toute une série de nouvelles technologies s'éveillent dans les laboratoires. Parmi elles, se cache le standard de demain. Découvrez les technologies qui pourraient, enfin, rendre l'énergie des photons rentable.

Son avenir s'annonce radieux, mais le photovoltaïque peine à s'imposer. Le rayonnement solaire représente, selon le syndicat des énergies renouvelables, 10 000 fois le besoin énergétique mondial. Pourtant l'Association européenne du photovoltaïque prévoit qu'il ne couvrira, en 2020, que 12 % de la consommation du Vieux Continent. Pour décoller, le photovoltaïque, encore sous perfusion (via les tarifs préférentiels de rachat), doit diviser par trois son prix de production. L'objectif est d'atteindre 12 centimes d'euro le kilowattheure, contre une trentaine actuellement. Pour cela, la profession mise sur une hausse des volumes. « Les capacités mondiales de production grimperont de 13 000 MW en 2008 à 60 000 MW en 2015, selon l'Union européenne », avance André Joffre, le président du pôle de compétitivité Derbi.

Du minéral à votre toit, Industrie et Technologies a remonté toute la filière photovoltaïque. Notre constat : construire des usines ne suffira pas, car 85 % du marché dépend d'une seule technologie, le silicium cristallin, qui reste à optimiser. Pour passer à l'ère industrielle, le photovoltaïque devra d'abord corriger cinq de ses principaux handicaps.

1-Diversifier les matériaux

Le silicium cristallin règne en maître sur le photovoltaïque. Principal atout, la silice dont il est issu ne craint pas la pénurie. Mais ses performances sont limitées. Son rendement record n'est que de 25 % en laboratoire. « Il peut aller jusqu'à 29 %, en théorie », nuance Gilles Cochevelou, le directeur R&D de Total Gaz et énergies nouvelles. Mais cette marge de progression n'est pas suffisante au vu des autres matériaux en lice. Parmi les rivaux, le tellure de cadmium s'impose comme la solution bon marché. Il permet de produire le watt crête (watt produit dans des conditions idéales d'ensoleillement) à moins de 0,9 dollar (0,6 euro), selon les expérimentations de l'américain First Solar. C'est moins du tiers du prix du silicium cristallin. Sous sa forme métallique, le cadmium est toutefois toxique. Difficile de le diffuser sur les toits des particuliers sans avoir une filière mature de récupération et de recyclage.

Dans ces conditions, le matériau miracle se cache peut-être dans la famille des chalcopyrites, dont le composé de référence associe cuivre, indium et sélénium. Ces matières fournissent des rendements équivalant au silicium cristallin (autour de 20 %), mais à coût réduit. « Avec ces nouvelles cellules, l'épaisseur est réduite de 200... à 2 microns. Nous espérons une division des coûts par deux ou trois », promet Daniel Lincot, le directeur de l'Irdep (Institut de recherche et développement de l'énergie photovoltaïque). Reste toutefois à inventer les procédés de fabrication. Aujourd'hui, ces matériaux sont produits sous vide soit par évaporation, soit par dissociation des réactifs dans un champ électrique, avant de les projeter sur un substrat de verre ou de métal. Selon l'Irdep, le coût de production peut théoriquement être divisé par quatre. Le laboratoire développe à cet effet une technique par électrolyse : les réactifs sont dissous dans l'eau puis déposés sur le substrat. Début 2009, l'Irdep a créé la société Nexus commune avec EdF Énergie nouvelle pour industrialiser ce procédé.

Seul inconvénient des chalcopyrites : ces matériaux sont rares. Mais cette contrainte n'effraie pas les chercheurs. « Il n'y a aucun risque de pénurie avant vingt ans et, si elle survient, nous trouverons des matières de substitution », assure Daniel Lincot. Pour remplacer l'indium, il propose le gallium ou l'aluminium. Autre solution, utiliser du zinc et de l'étain, pour former de la castérite, « un matériau abondant », promet-il. Mais son rendement n'est encore que de 6 %.

À long terme, les chercheurs misent plutôt sur des cellules solaires organiques (polymères conducteurs), « comme le polythiophène associé à un dérivé du fullerène », propose Jean-Pierre Joly, le directeur de l'Ines (Institut national de l'énergie solaire). « Mais ces matériaux ont une durée de vie limitée à deux ans. Elle les limite pour l'instant à des débouchés de niche, comme l'alimentation de l'électronique portable. » On est loin des 25 à 30 ans attendus dans le photovoltaïque résidentiel.

2-Optimiser les procédés

Même sans rival, le silicium cristallin a du pain sur la planche. Sa priorité reste la chasse au gaspillage - de temps comme de matière - dans les usines. « Les premières machines étaient optimisées pour l'électronique, pas le photovoltaïque », remarque André Joffre, du pôle Derbi. Mais des équipements dédiés au photon commencent à apparaître avec pour objectif d'accélérer la cadence de production et de réduire les pertes de silicium.

Le fabricant de blocs de silicium Emix a mis au point un procédé par coulée continue. « Nous avons réduit par trois la consommation d'énergie et par cinq le temps de production des blocs », assure Didier Lombard, le président du directoire d'Emix. Sa technologie repose sur une colonne verticale dans laquelle sont versés en continu des gravillons de silicium. À l'intérieur, ils sont fondus par un champ électromagnétique. En créant un vortex dans l'écoulement, il homogénéise le silicium. Après refroidissement, les blocs sont tronçonnés au pied de la colonne tous les 50 à 80 centimètres.

Le chinois Yingli, lui, cherche à diminuer les copeaux de silicium perdus pendant l'étape du sciage des blocs. Autre source d'économie, la purification du silicium. À l'état naturel, il est oxydé. La méthode traditionnelle consiste à le chauffer à 2 000 °C en présence de carbone, à le faire réagir avec de l'acide chlorhydrique, puis enfin à le distiller. Le projet Photosil (CNRS, FerroPem, Apollon Solar) cherche à réduire les durées de purification en privilégiant une torche à plasma.

Autre procédé inventé pour le photovoltaïque, Apollon Solar contrôle méticuleusement la solidification du silicium. En maîtrisant finement le passage de l'état liquide, après fusion, à l'état solide, l'ingénieriste assure réduire le temps dans le four de 25 %, à 48 heures. En ôtant davantage d'impuretés, cette nouvelle technique récupère aussi davantage de silicium : un taux de 90 % contre 70 % auparavant.

3-Muscler le rendement

Tous les acteurs du photovoltaïque se posent la même question. Comment battre les records de rendement ? Purifier davantage le silicium risque d'augmenter le coût de production. Alors les chercheurs essaient de réinventer les jonctions des cellules. Comme pour une batterie, une cellule photovoltaïque est constituée d'une borne positive (silicium dopé au bore) et d'une borne négative (dopage au phosphore). Cette différence de potentiel génère une tension électrique. Le photovoltaïque standard fonctionne avec une simple jonction entre ces deux bornes. Mais elle n'est efficace que sur une partie du spectre lumineux. Cette contrainte limite le rendement (théorique) à 30 %. Pour gagner en efficacité, l'objectif est de multiplier les jonctions (une pour les ultraviolets, une autre pour la couleur rouge...). Une autre piste - les cellules à hétérojonction - consiste à déposer une fine couche de silicium amorphe pour empêcher les électrons de réagir avec la surface de la cellule. Ou encore, la surface des cellules est modifiée pour empêcher toute perte, par réflexion optique, de photons. L'une des géométries les plus efficaces consiste à sculpter des pyramides, à l'échelle micrométrique, sur la surface et à en optimiser les angles.

4-Réinventer le design

À voir tous les verrous technologiques, pourquoi ne pas totalement réinventer la cellule photovoltaïque ? Les chercheurs y pensent sérieusement. La technologie photovoltaïque émergente est la couche mince. Son rendement est certes restreint (10 % maximum). Mais elle est aussi 40 % moins chère, car elle requiert moins de matière. Son épaisseur se compte en centaines de nanomètres, mille fois moins que le silicium cristallin standard. Tout l'enjeu reste de développer le procédé de dépôt.

Les couches minces en silicium amorphe bénéficient des retours d'expérience de la fabrication des écrans plats. Principale nouveauté : elles doivent capter les photons. Ce silicium amorphe est obtenu à partir d'un gaz précurseur, le silane, dont les molécules sont dissociées dans un champ électrique. Les atomes sont ensuite déposés sur une plaque de verre recouverte d'une électrode transparente. L'intérêt de cette technologie ? « Des gains peuvent être obtenus en associant différents types de couches minces. Par exemple ajouter au silicium amorphe, qui n'absorbe que la lumière visible, une couche nanocristalline, qui absorbe une partie de l'infrarouge », propose Bernard Drévillon, le directeur du LPICM (Laboratoire de physique des interfaces et couches minces) de l'École polytechnique. Pour que cette technologie sorte des laboratoires, la durée de dépôt des couches minces doit encore être réduite de la demi-heure à quelques minutes. C'est l'objectif du partenariat signé à l'automne entre le LPICM et Total. Il lui faudra aussi passer d'une cellule à l'échelle du cm2 au m2.

Les couches minces ne sont pas la seule piste explorée. Des technologies changent encore plus radicalement la notion de cellules. « Une piste est de concentrer 500 à 1 000 fois les rayons du soleil, avec une lentille optique, avant qu'ils n'atteignent la cellule », évoque André Joffre. Cette cellule devra toutefois supporter une élévation de température sans perdre en rendement. Autre idée sur les paillasses : la conversion de photons. « Grâce à du verre dopé aux terres rares, l'idée est de transformer des photons dont la longueur d'onde est mal absorbée par la cellule, en d'autres mieux absorbés », explique Daniel Lincot, de l'Irdep. Il faudra d'abord prouver qu'une telle technique peut fonctionner.

5-Multiplier les usages

Le photovoltaïque oui, mais pourquoi faire ? Par un tarif de rachat privilégié, la France favorise les solutions intégrées au bâti plutôt que les centrales au sol (60 centimes d'euro le kilowattheure racheté, contre 30). « Le photovoltaïque est prometteur car il décentralise la production d'énergie. Privilégier la consommation locale évite notamment les pertes en ligne », soutient Didier Jousse, le directeur Technologie et stratégie produits de Saint Gobain Solar. Mais cet avis ne fait pas l'unanimité. Le fabricant Exosun, lui, considère que les centrales solaires seront indispensables pour baisser les coûts. « Quand le tarif de rachat privilégié cessera, le photovoltaïque se heurtera à son coût véritable », prédit Frédéric Conchy, son président. En alignant les panneaux sur le sol, sa société a conçu un système de suivi solaire pour augmenter le rendement du photovoltaïque de 30 % (lire ci-contre). Panneau sur le toit ou centrale au sol, l'avenir du photovoltaïque reste à inventer.

DIÈTE

Le prix du kilowattheure photovoltaïque devra être réduit par trois pour être compétitif.

UNE INDUSTRIE EN GESTATION

Le photovoltaïque fait ses premiers pas dans l'ère industrielle mais il n'est pas encore arrivé à maturité. MATÉRIAUX La suprématie du silicium cristallin, qui représente 85 % du marché mondial, limite à la source le nombre de filières. MACHINES La chasse au gaspillage - de temps comme de matière - pourrait réduire les coûts de production, sans rupture technologique. RENDEMENT Les meilleures cellules commercialisées convertissent seulement 20 % de l'énergie qu'elles captent. DESIGN L'essentiel des innovations porte sur l'intégration architecturale, mais les chercheurs préparent de nouveaux concepts de cellules. USAGE En France, les tarifs de rachat de l'électricité photovoltaïque privilégient l'intégré au bâti. Autrement dit, l'innovation est guidée par les subventions.

Patrice Christmann CHEF DU SERVICE RESSOURCES MINÉRALES AU BUREAU DE RECHERCHES GÉOLOGIQUES ET MINIÈRESUn accès limité aux ressources

I.T. - Le photovoltaïque risque-t-il une pénurie de matières premières ? Patrice Chistmann. Pas d'un point de vue géologique. Le silicium qu'il utilise est à base de silice, le minéral le plus abondant de l'écorce terrestre. Mais il en existe de nombreuses variétés et la production de silicium requiert la silice parmi les plus pures. Les nouvelles technologies photovoltaïques en revanche utilisent du gallium, de l'indium, du tellure, du sélénium... Mais, faute de débouchés suffisants, ces sous-produits de la métallurgie n'ont pour l'instant pas fait l'objet d'études poussées. I.T. - Comment s'assurer une visibilité à long terme ? P. C. Pour une entreprise européenne, l'accès à ces matières pourrait être limité. Non pas par pénurie mondiale. Mais par dépendance à des pays, comme la Chine, qui investissent massivement dans les matières indispensables aux technologies vertes. I.T. - Quels seraient les risques ? P. C. Devenir encore plus dépendant à ces matières qu'au pétrole. À tout moment, ces pays producteurs peuvent restreindre l'accès à leur réserve. La Chine l'a déjà fait cet été pour les terres rares. En Europe, nous ne connaissons notre sous-sol qu'en surface alors qu'il faudrait l'explorer jusqu'à quatre kilomètres de profondeur.

Exosun traque le soleil

Pour doper le rendement du photovoltaïque , inutile d'attendre une nouvelle génération de cellule. Exosun poursuit le soleil à longueur de journée. La PME girondine a conçu un système de suivi solaire, qui repose sur deux arches (en béton pour résister à des vents de 200 km/h). La première, fixe, sert de support au sol. La seconde, mobile, est contrôlée par des automates programmables. L'objectif est d'orienter, avec 0,05° de précision, des panneaux photovoltaïques standards pour être en permanence perpendiculaires aux rayons du soleil. Les moteurs qui contrôlent cette opération ne consomment que 0,4 % de l'électricité produite. Au final, selon Exosun, ce système produit 30 % d'énergie en plus qu'un panneau ordinaire sur votre toit.

LE GLOSSAIRE DES CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES

SILICIUM CRISTALLIN Ce semi-conducteur est aujourd'hui le matériau standard de l'industrie photovoltaïque. Son rendement atteint, en laboratoire, 25 %. COUCHE MINCE L'épaisseur de ces cellules émergentes se compte en centaines de nanomètres. Elles sont mille fois plus fines que celles en silicium cristallin. ORGANIQUE Ces polymères conducteurs offrent souplesse, légèreté et transparence aux cellules... mais divisent par dix leur durée de vie. CONCENTRATION Une lentille concentre 500 fois les rayons solaires avant qu'ils n'atteignent une cellule... qui devra supporter un tel échauffement.

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