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Photovoltaïque L'irrésistible ascension des cellules à couches minces

THOMAS BLOSSEVILLE tblosseville@industrie-technologies.com

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Le soleil se lève sur la deuxième génération de cellules photovoltaïques. Après des années marquées par l'hégémonie du silicium cristallin, les couches minces s'imposent dans le paysage photovoltaïque. Mais pour détrôner leurs aînées, les trois challengers devront optimiser leurs procédés de fabrication.

Le photovoltaïque vit une mutation. Longtemps considérées comme prometteuses, les cellules solaires à couches minces ébranlent aujourd'hui la suprématie du silicium cristallin. En 2009, elles auraient même compté, selon l'analyste américain Displaybank, pour 20 % de la production mondiale de cellules solaires. Comme leurs aînées, les couches minces utilisent des matériaux semi-conducteurs. Mais leur faible épaisseur, au moins cent fois inférieure, promet une division par deux des coûts de production. Pour pérenniser son ascension, cette deuxième génération photovoltaïque devra désormais optimiser ses procédés de fabrication.

Bientôt, les cellules capteront aussi l'infrarouge

Le choix des matériaux sera crucial. Le tellure de cadmium possède une longueur d'avance. C'est LA technologie à bas coût grâce à un procédé de dépôt maîtrisé : sublimation puis condensation des grains de tellure de cadmium. Mais un frein majeur la toxicité du cadmium - pourrait clouer cette filière au sol. La gestion en fin de vie du cadmium sera en effet plus simple dans des centrales au sol que disséminées sur les toits.

En embuscade, deux autres familles de couches minces affûtent leurs armes. D'un côté, le silicium amorphe, qui se distingue du standard cristallin par un moindre ordonnancement de ses atomes et bénéficie, comme lui, d'abondantes ressources en silice. De l'autre, les calchopyrites, dont le composé de base associe cuivre, indium et sélénium. Cette famille promet les meilleurs rendements : près de 20 %, soit autant que les meilleures cellules cristallines actuelles.

Silicium amorphe ou cuivre/indium/sélénium... Dans les deux cas, le procédé de fabrication reste à mettre au point. Pour le silicium amorphe, le dépôt en phase vapeur assisté par plasma dissocie, en les chauffant, les molécules d'un gaz précurseur, le silane. Elles sont excitées par un champ électrique pour accélérer leur dépôt, souvent sur du verre. « Mais sur de grandes surfaces, le silicium amorphe atteindra difficilement les 13 % de rendement nécessaire pour être compétitif », prévient Jean-Pierre Joly, le directeur de l'Institut national de l'énergie solaire (Ines).

Les chercheurs explorent donc plusieurs pistes : ajouter du germanium, modifier les propriétés optiques à la surface de la cellule, ou créer des architectures multicouches. « En ajoutant au silicium amorphe une nanocouche de cristallin, nous capterons l'infrarouge en plus de la lumière visible », évoque Bernard Drévillon, le directeur du laboratoire de physique des interfaces et des couches minces de l'École polytechnique.

Évaporation sous vide, pulvérisation cathodique, dépôt électrochimique, électrolyse... Pour le cuivre/indium/sélénium, le procédé de fabrication reste même à inventer. D'autant que la composition des cellules va évoluer. Aux éléments de base (cuivre, indium, sélénium), les chercheurs ajoutent du gallium et du soufre pour grappiller le moindre pour-cent de rendement. « Anticipant une pénurie d'indium, nous envisageons de le remplacer par de l'aluminium ou de la castérite, un matériau abondant associant zinc et étain », ajoute Daniel Lincot, le directeur de l'Institut de R&D sur l'énergie photovoltaïque (Irdep). Nul doute que les procédés de dépôt évolueront encore. L'industrie photovoltaïque ne vit pas sa dernière mutation technologique.

L'éclosion du « made in France »

Outre un fabricant historique, Free Energy, la France voit se multiplier les projets d'usines de modules solaires à couches minces. NEXCIS La start-up française, fondée en 2008 dans les Bouches-du-Rhône, développe un procédé de dépôt pour le cuivre-indium-sélénium. SOLSIA Cette année, l'industriel français doit lancer une unité pilote dans le silicium amorphe en Rhône-Alpes. Il prévoit d'atteindre une cadence industrielle dans deux ans FIRST SOLAR Associé à EdF, le spécialiste américain du tellure de cadmium prévoit d'ouvrir un site, en 2012, près de Bordeaux.

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