Ces cellules solaires flexibles nous rapprochent de l'abandon des combustibles fossiles

Photo illustration d'une pérovskite Photo publiée avec l'aimable autorisation d'Oxford PV

• Les cellules solaires en pérovskite peuvent être moins chères, plus légères, plus économes en énergie et plus faciles à produire que le silicium traditionnel
• Ils pourraient être placés sur des fenêtres, des surfaces de forme irrégulière ou même des véhicules en mouvement et ouvrir une toute nouvelle gamme d'utilisations de l'énergie solaire, comme le dessalement.
• Le plus grand défi : les rendre suffisamment durables

En décembre dernier, des chercheurs d'un laboratoire d'Oxford, en Angleterre, ont braqué une lampe solaire sur une minuscule cellule solaire d'environ un centimètre carré seulement.

L'appareil était en fait deux cellules, empilées l'une sur l'autre. Celui du bas était fait du type de silicium utilisé dans les panneaux solaires standard. Mais le dessus était de la pérovskite, un matériau à structure cristalline particulièrement apte à transformer la lumière en électricité.

Une paire de sondes attachées à la soi-disant cellule solaire tandem a mesuré ses performances. D'autres chercheurs du laboratoire d'Oxford PV, une entreprise issue de l'université en 2010, se sont réunis derrière un écran plat, attendant avec impatience qu'un calcul de l'efficacité de la cellule apparaisse. Quand ce fut le cas, ils échangèrent des high fives. La cellule avait converti 28% de l'énergie de la lumière en électricité, un nouveau record d'efficacité pour un dispositif pérovskite sur silicium. Un test indépendant l'a confirmé quelques jours plus tard, après que la minuscule cellule ait été embarquée dans un avion pour le National Renewable Energy Laboratory (NREL) à Golden, Colorado.

La cellule solaire de taille commerciale d'Oxford PV (à gauche) et la version d'un centimètre carré (à droite).

Alors que les panneaux de silicium pourraient dominer le marché - avec environ 95% de part de marché - le silicium n'est pas un matériau solaire particulièrement bon. Il utilise principalement la lumière de l'extrémité rouge et infrarouge du spectre solaire, et il doit être assez épais et volumineux pour absorber et convertir les photons. Les panneaux solaires en silicium les plus efficaces du marché atteignent moins de 23 % d'efficacité, alors que le maximum théorique pour une seule couche de silicium est d'environ 29 %.

La pérovskite, d'autre part, peut utiliser une plus grande partie de la lumière qui l'atteint et peut être réglée pour fonctionner avec différentes parties du spectre. Oxford PV a opté pour l'extrémité bleue. Jumelés dans une cellule, les deux matériaux peuvent convertir ensemble plus de photons en électrons que chacun ne peut en produire seul.

Oxford PV prévoit de mettre sur le marché des cellules solaires à base de pérovskite et de silicium d'ici la fin de l'année prochaine, en utilisant une usine allemande acquise en 2016 auprès de Bosch Solar. Les deux matériaux seront livrés dans un emballage qui ressemble, est expédié et s'installe de la même manière qu'un panneau solaire standard, dans une sorte de demi-étape qui, selon l'entreprise, facilitera l'introduction de la technologie sur le marché.

Usine de fabrication d'Oxford PV en Allemagne. PV d'Oxford

Il s'agit d'une perturbation technologique sans perturbation des activités, déclare Chris Case, directeur de la technologie d'Oxford PV.

Des dizaines de startups qui avaient cherché à supplanter le silicium il y a une dizaine d'années ont plutôt fait faillite ou ont été reléguées à un marché de niche. Mais les investisseurs en capital-risque ont investi dizaines de des millions de dollars dans des entreprises de pérovskite ces derniers mois, réchauffant ce qui avait longtemps été un marché glacial pour les matériaux solaires alternatifs. La question est maintenant de savoir si les pérovskites s'effondreront également ou battront enfin les panneaux de silicium sur le marché.

Il y a tout un ensemble de choses qui en font une technologie potentiellement transformationnelle, explique Joe Berry, qui dirige le programme de recherche sur la pérovskite au National Renewable Energy Laboratory. Mais la liste des technologies qui ont essayé de concurrencer le silicium est longue et distinguée, il faut donc être humble dans ce sens aussi.

Une cellule solaire sous stéroïdes

À la fin des années 2000, un certain nombre de startups bien financées ont tenté de commercialiser de nouveaux matériaux solaires plus flexibles, y compris des technologies à couche mince comme tellurure de cadmium et le séléniure de cuivre, d'indium et de gallium (rappelez-vous Solyndra ?), ainsi que des choses comme les cellules solaires organiques. La promesse était que les cellules fabriquées à partir de ces matériaux seraient beaucoup moins chères à fabriquer et pourraient être produites sous différentes formes.

Mais les panneaux solaires au silicium étaient une cible en évolution rapide. Les niveaux d'efficacité ont continué à s'améliorer et les prix ont chuté, Merci aux efforts de recherche financés par le gouvernement, aux politiques de stimulation du marché et aux économies d'échelle.

Coûts des systèmes photovoltaïques commerciaux (dollars américains par watt de courant continu pour les systèmes à inclinaison fixe)

Source : Laboratoire national des énergies renouvelables | Graphique créé par MIT Technology Review

La Chine, en particulier, a utilisé des subventions et des stratégies agressives pour accélérer la fabrication et les exportations dans le but de dominer le marché. Les expéditions de modules du pays et sa part de marché mondiale ont décollé à partir du milieu des années 2000, suscitant des allégations de dumping illégal visant à éliminer les rivaux étrangers. Les prix des panneaux de silicium commerciaux ont chuté de plus de moitié entre 2010 et 2013, et le marché des alternatives s'est effondré.

Ainsi, de nos jours, pour justifier les dépenses considérables liées à la construction de nouvelles usines, chaînes d'approvisionnement et canaux de distribution, tout nouveau matériau doit être meilleur de manière cruciale : plus efficace, moins cher à fabriquer, plus polyvalent, plus durable ou, idéalement, tous les au dessus.

La pérovskite brille dans certaines de ces catégories. Une seule couche peut théoriquement atteindre 33% d'efficacité, tandis qu'un dispositif tandem pérovskite sur silicium pourrait atteindre environ 43%. Le rendement élevé est important car vous pouvez produire plus d'électricité à partir du même nombre de panneaux, ou de la même quantité avec un encombrement réduit et des coûts inférieurs.

Les modules solaires en pérovskite devraient également être moins chers à fabriquer, du moins à terme. La production de panneaux de silicium est une opération en plusieurs étapes Processus de fabrication cela implique d'affiner le silicium à haute température, de l'infuser avec d'autres matériaux et de le découper avec précision en tranches qui doivent ensuite être modelées avec précision dans une salle blanche pour créer une cellule photovoltaïque.

Les pérovskites, d'autre part, peuvent être produites à basse température et utilisées sous forme liquide pour revêtir des matériaux flexibles comme le plastique, permettant un processus de fabrication rouleau à rouleau similaire à l'impression de journaux.

En réaffectant l'usine de fabrication de couches minces de Bosch, Oxford PV espère être en mesure de produire en masse des cellules en silicium et pérovskite d'ici la fin de l'année prochaine et de les assembler dans des panneaux d'aspect standard.

C'est une cellule solaire ordinaire sous stéroïdes, dit Case.

En mars, Oxford PV a déclaré qu'il avait soulevé plus de 40 millions de dollars pour mettre ses produits sur le marché, portant son financement total à environ 100 millions de dollars. L'usine pompera 250 mégawatts de cellules chaque année.

Une autre startup de pérovskite, Energy Materials, cherche également à utiliser la fabrication roll-to-roll. Basée à Rochester, New York, elle utilise un équipement de film construit à l'origine pour Eastman Kodak pour produire en masse des panneaux solaires à base de pérovskite uniquement. À pleine échelle, le processus coûtera deux fois moins cher que la fabrication d'un module solaire traditionnel, tandis que les coûts d'investissement seront d'un ordre de grandeur moins chers, car le silicium nécessite des machines et des usines coûteuses et précises, explique Thomas Tombs, directeur de la technologie de l'entreprise.

Cellule solaire pérovskite flexible de Swift Solar. Solaire rapide

Étant donné que la pérovskite peut être flexible, semi-transparente et légère, elle pourrait également être utilisée là où des panneaux solaires lourds et rigides ne fonctionneraient pas - sur des fenêtres, des toits plus grinçants, des surfaces de forme irrégulière ou même des véhicules en mouvement.

Swift Solar, une startup affiliée au NREL qui a soulevé près de 7 millions de dollars ces derniers mois, est regarder mettre des cellules solaires en tandem pérovskite-perovskite - qui utilisent deux couches de pérovskite, chacune accordée à une partie différente du spectre - sur des drones et des véhicules électriques pour étendre leur autonomie, selon son PDG, Joel Jean. Une telle cellule pourrait être très efficace, ainsi que plus flexible et légère qu'une cellule avec une couche de silicium épaisse.

Déverrouiller de nouvelles utilisations de l'énergie solaire

Dans son livre Apprivoiser le soleil, Varun Sivaram, directeur de la technologie chez ReNew Power, affirme que les nouvelles technologies solaires comme les pérovskites peuvent être essentielles pour remplacer à terme les combustibles fossiles.

Mais pourquoi avons-nous besoin d'une énergie solaire encore moins chère si les panneaux au silicium sont déjà compétitifs avec, disons, une centrale au charbon ?

L'un des plus gros problèmes de l'énergie solaire est qu'une fois qu'elle génère une part importante de l'électricité sur le réseau, la valeur supplémentaire du panneau ou de la centrale suivante commence à chuter fortement.

En effet, la nuit, les fermes solaires ne produisent pas du tout d'électricité, ce qui signifie que le reste du système doit encore être capable de répondre à la demande totale. Par contre, les jours ensoleillés, il peut y avoir plus d'électricité que le système ne peut en utiliser ou en stocker. Cela se produit déjà dans des régions très alimentées en énergie solaire, comme l'Allemagne, la Chine et la Californie.

Les opérateurs de réseau doivent régulièrement forcer ou inciter les fermes solaires à réduire leur production, souvent en poussant les prix à zéro ou même en dessous. Cela peut réduire les bénéfices des centrales solaires, ce qui élimine les incitations économiques à en construire davantage et à continuer à réduire l'utilisation de combustibles fossiles.

Dans un papier publié dans Nature Energy en 2016, Sivaram et Shayle Kann, désormais directeur général de la société de capital-investissement Energy Impact Partners, ont calculé que pour préserver les incitations économiques à continuer à construire davantage de centrales, le coût de développement de l'énergie solaire devrait tomber à 25 cents par watt . Les coûts tout compris des systèmes commerciaux les moins chers sont de 1,06 $ par watt, selon le dernier rapport NREL .

Cela est dû en grande partie au prix élevé de l'installation et du câblage du matériel encombrant. Donc, réduire considérablement le prix nécessitera probablement non seulement des cellules solaires bon marché, mais également des cellules légères et flexibles qui sont plus faciles à déployer. Les pérovskites sont le matériau le plus prometteur pour faire quelque chose comme ce saut aujourd'hui, dit Sivaram.

L'électricité solaire bon marché pourrait également faire baisser le coût de choses comme le dessalement de l'eau de mer, les arbres artificiels qui peuvent extraire le dioxyde de carbone de l'atmosphère ou les usines d'électrolyse qui peuvent convertir l'énergie excédentaire en hydrogène.

Il déverrouille toutes ces autres nouvelles applications auxquelles nous n'avions jamais pensé auparavant, dit Sivaram.

Le problème de l'instabilité

La question la plus difficile concernant les pérovskites est leur durabilité. Les sauts d'efficacité n'ont pas beaucoup d'importance si le matériau ne dure que quelques mois ou même des années - et jusqu'à présent, les pérovskites ont eu tendance à se dégrader rapidement lorsqu'elles sont exposées à la lumière ultraviolette et à l'humidité.

C'est un très gros problème pour un matériau qui doit rester au soleil pendant quelques décennies. Et si les entreprises déploient des panneaux de pérovskite qui finissent par échouer trop tôt, cela ternira la réputation du matériau même si elles développent plus tard des versions plus durables.

Un travailleur d'Oxford PV examine des cellules solaires tandem pérovskite-silicium de taille commerciale. PV d'Oxford

Pour l'instant, le plan de marché d'Oxford PV dépend de la capacité de sa cellule pérovskite-silicium à fonctionner et à ressembler à un panneau solaire en silicium standard, ce qui inclut son emballage dans un boîtier en verre qui l'aidera à durer plus longtemps.

Mais l'entreprise a dû travailler dur sur la stabilité du matériau lui-même, en utilisant une modélisation informatique et un criblage rapide pour identifier des compositions prometteuses parmi environ un demi-million de possibilités. La recette de la société pour les pérovskites est exclusive, mais son PDG, Frank Averdung, est optimiste. Nous avons résolu le problème de fiabilité, dit-il. Nous l'avons cloué, et c'est la raison pour laquelle nous pouvons passer en mode de fabrication maintenant.

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