La machine solaire chinoise

Il y a dix ans, les panneaux solaires étaient principalement fabriqués aux États-Unis, en Allemagne et au Japon. Les fabricants chinois n'en fabriquaient presque pas. Mais en 2006, la société chinoise Suntech Power avait la capacité de fabriquer plus d'un million de panneaux solaires à base de silicium par an et était déjà le troisième producteur mondial. Aujourd'hui, les fabricants chinois fabriquent environ 50 millions de panneaux solaires par an, soit plus de la moitié de l'approvisionnement mondial en 2010, et comprennent quatre des cinq plus grands fabricants de panneaux solaires au monde. Ce qui rend cela particulièrement impressionnant, c'est que l'industrie ailleurs a doublé de taille tous les deux ans, et les fabricants chinois ont fait encore mieux, doublant leur production environ chaque année.

Cette domination n'est pas due à la main-d'œuvre bon marché dans les usines chinoises : la fabrication de cellules solaires nécessite des équipements et des matériaux si coûteux que la main-d'œuvre ne représente qu'une petite fraction du coût global. Ce n'est pas non plus parce que les entreprises chinoises ont introduit des cellules qui durent plus longtemps ou produisent plus d'énergie : en gros, elles fabriquent le même type de panneaux solaires à base de silicium que nombre de leurs concurrents dans le monde, en utilisant le même équipement. Ils ont réussi en grande partie parce qu'il est plus rapide et moins cher pour eux de construire des usines, grâce à des équipes de construction peu coûteuses et efficaces et au processus d'autorisation simplifié de la Chine. Les nouvelles usines disposent des équipements les plus récents et les plus efficaces, ce qui permet de réduire les coûts. Il en va de même pour l'efficacité liée à la taille. En conséquence, les fabricants chinois ont été en mesure de saper les autres fabricants de panneaux solaires en silicium et d'anéantir les espoirs de nombreux arrivants dans l'espoir d'introduire une nouvelle technologie.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de janvier 2012

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Mais le marché du solaire évolue rapidement et les innovations technologiques deviennent de plus en plus indispensables. Si la demande d'énergie solaire continue de croître dans le monde, le marché est inondé de panneaux photovoltaïques : la capacité de production mondiale a plus que doublé de 2009 à 2010 et a continué d'augmenter en 2011. La surcapacité était si importante qu'à l'automne dernier, les fabricants chinois ont eu du mal à vendre des panneaux solaires plus cher que ce qu'il en coûte pour les fabriquer. Sur un tel marché, le moyen de différencier votre produit - et de le facturer suffisamment pour rester à flot - est de le rendre meilleur que celui de vos concurrents.

Pour les fabricants d'énergie solaire aujourd'hui, cela signifie inventer des cellules plus efficaces pour convertir la lumière en électricité. À mesure que le prix des panneaux solaires a baissé, les coûts d'installation représentent désormais un pourcentage plus important du coût de l'énergie solaire. Les clients veulent des panneaux plus puissants, afin de pouvoir en installer moins. Désormais, le meilleur moyen pour les fabricants chinois de réduire le coût par watt de l'énergie solaire n'est peut-être pas de baisser les coûts de fabrication mais, au contraire, d'augmenter le nombre de watts générés par chaque panneau. La donne est en train de changer, déclare Mark Pinto, vice-président exécutif des solutions énergétiques et environnementales chez Applied Materials à Santa Clara, en Californie, le plus grand fournisseur mondial d'équipements de fabrication d'énergie solaire. Avant, tout était question d'échelle. Il s'agit maintenant d'efficacité de conversion tout en réduisant les coûts.

Cela peut sembler une mauvaise nouvelle pour les fabricants chinois qui se sont concentrés sur la mise à l'échelle de la technologie standard. Mais leur expérience dans la construction de panneaux solaires conventionnels pourrait les aider à mettre en œuvre de nouvelles conceptions qui améliorent considérablement les performances des cellules solaires au silicium. Au fil des ans, ces fabricants ont réduit leurs coûts en partie en développant de meilleures façons de fabriquer les cellules. Cela leur a permis de comprendre ce qui fonctionne et ce qui ne fonctionne pas dans l'usine. Ils ont également le capital et les ingénieurs pour les aider à traduire les nouvelles technologies en production de masse. Ils n'avaient peut-être pas initialement prévu de commercialiser ces technologies, mais maintenant, après avoir maîtrisé le marché des panneaux solaires conventionnels, ils sont prêts à le faire.

GARDER LE RYTHME

En 2010, lorsque le secrétaire américain à l'Énergie, Steven Chu, a prononcé un discours devant le National Press Club exposant son argument selon lequel les États-Unis prenaient du retard dans la fabrication de pointe, Suntech Power était sa pièce A. Il avait visité son usine et il était impressionné par ce qu'il avait vu. C'est une usine automatisée de haute technologie, a-t-il déclaré. Cela ne réussit pas à cause de la main-d'œuvre bon marché. Non seulement cela, a-t-il noté, mais Suntech avait développé un type de cellule solaire avec une efficacité record.

Loin devant

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L'évaluation de Chu a peut-être surpris certains observateurs, mais les cellules solaires record de Suntech sont Impressionant. La technologie qui les compose tire parti des changements dans la conception et la technique de fabrication. Les lignes métalliques conductrices qui collectent la charge électrique du silicium ne sont pas créées avec des méthodes de sérigraphie, comme c'est la norme. Au lieu de cela, Suntech utilise un processus exclusif pour déposer des lignes beaucoup plus fines et plus rapprochées qui sont plus efficaces pour extraire l'électricité des cellules. Les changements ont permis à l'entreprise d'atteindre les niveaux d'efficacité et de réduction des coûts qu'une feuille de route de l'industrie publiée en 2011 avait fixée comme objectifs pour 2020. Lorsque vous mettez toutes ces choses ensemble, nous ne faisons pas seulement mieux que ce que les gens font maintenant, dit Stuart Wenham, directeur de la technologie chez Suntech. Nous faisons également mieux que ce qu'ils pensent pouvoir faire dans 10 ans.

Jusqu'à présent, Suntech a fabriqué relativement peu de panneaux solaires basés sur la nouvelle technologie. Au lieu de cela, il a concentré ses ressources sur l'ajustement des processus de fabrication pour réduire le coût de fabrication des panneaux solaires en silicium conventionnels. Mais cela pourrait bientôt changer. Cette année, Suntech a commencé à augmenter la production de nouvelles cellules et peut désormais en fabriquer suffisamment chaque année pour générer 500 mégawatts d'électricité, soit environ 2,5 millions de panneaux solaires. Cette réussite doit beaucoup au succès de l'entreprise en tant que producteur de produits conventionnels.

La technologie derrière les nouvelles cellules a été développée dans les années 1990 à l'Université de Nouvelle-Galles du Sud, en Australie, mais les techniques utilisées en laboratoire étaient trop chères pour une production commerciale. C'était un processus horriblement sophistiqué comprenant la photolithographie, le dépôt sous vide de métaux assez exotiques et toutes sortes de processus chimiques, explique Wenham, qui est également à la tête du programme de recherche photovoltaïque à l'UNSW et était auparavant professeur du PDG et fondateur de Suntech, Zhengrong Shi . Selon Wenham, la technologie est restée une curiosité de laboratoire pendant des décennies jusqu'à ce que les chercheurs de Suntech trouvent comment l'adapter à une chaîne de montage. Ils ont trouvé un moyen simple et peu coûteux de remplacer tout cela tout en obtenant les mêmes résultats, dit-il. La nouvelle technologie pourrait augmenter la puissance de sortie d'un panneau solaire de taille standard de 205 watts à 220 watts ou plus, et les cellules coûtent moins cher à produire que les cellules conventionnelles.

Certaines parties de la technologie ont rapidement été couronnées de succès. Suntech les a introduits dans ses lignes de fabrication standard, dans le but de garder une longueur d'avance sur ses concurrents en termes de coût et d'efficacité. Cependant, la mise à l'échelle de l'ensemble du processus a été un défi. Une ligne de fabrication pilote était opérationnelle en 2009, mais l'entreprise a dû développer et mettre en œuvre de nouveaux équipements pour obtenir des rendements et des taux de production au point que le processus soit économique. Ici, la position de Suntech en tant que leader du marché avec une expérience dans le développement de nouveaux équipements de fabrication s'est avérée critique. Non seulement l'entreprise disposait de l'expertise nécessaire pour améliorer le processus ; il disposait également des fonds nécessaires pour continuer à travailler sur la technologie pendant des années sans générer de revenus importants.

Suntech n'est pas le seul fabricant chinois d'énergie solaire à identifier une nouvelle technologie prometteuse et à trouver des moyens de la produire à grande échelle. En septembre dernier, Yingli Green Energy, basée à Baoding, a annoncé qu'un partenariat avec un centre de recherche néerlandais, ECN, avait produit des panneaux solaires capables de convertir 17,6 % de l'énergie solaire en électricité ; la moyenne est d'un peu plus de 14 pour cent. ECN a mis la technologie à la disposition de tous ceux qui le souhaitaient dans le monde, dit Wenham. Pourtant, il n'y a que Yingli qui a pris cette technologie et a trouvé comment la fabriquer en production à grande échelle, à faible coût.

AVANTAGE MATÉRIEL

Même maintenant que les fabricants chinois d'énergie solaire passent de la production à l'innovation, il peut y avoir des limites à ce qu'ils peuvent faire avec le matériau qu'ils ont choisi, le silicium cristallin. Ce matériau est attractif car l'industrie sait travailler avec, en partie grâce à des décennies de recherche sur les puces en silicium. Mais comparé à d'autres semi-conducteurs, il absorbe mal la lumière du soleil. Certaines alternatives, comme l'arséniure de gallium, peuvent être transformées en films de matériau qui peuvent générer autant d'électricité qu'une cellule au silicium typique, mais qui n'ont qu'un centième d'épaisseur, ce qui réduit potentiellement les coûts des matériaux. Ces films minces peuvent également être flexibles : ils peuvent être enroulés, ce qui réduit les coûts d'emballage et d'expédition, et ils peuvent être intégrés aux bardeaux de toiture pour réduire les coûts d'installation.

Pourtant, malgré leurs avantages potentiels, il a été difficile pour les cellules solaires à couche mince de rivaliser avec les coûts toujours en baisse et l'amélioration de l'efficacité des cellules en silicium cristallin. Une entreprise, First Solar, basée en Arizona, a réussi à développer des techniques de fabrication à faible coût pour les panneaux solaires à couche mince, mais ces méthodes utilisent un matériau, le tellurure de cadmium, qui rend les panneaux moins efficaces que ceux en silicium. D'autres sociétés ont tenté de concurrencer le silicium en utilisant des panneaux à couche mince à plus haute efficacité de séléniure de cuivre indium gallium. Certains d'entre eux, cependant, ont dû déclarer faillite et fermer leurs usines après avoir échoué à réduire leurs coûts de fabrication assez rapidement.

Malgré ces luttes, Wenham pense que la technologie des couches minces finira par défier les panneaux solaires conventionnels. Si cela est vrai, les fabricants chinois de cellules solaires en silicium cristallin pourraient ne pas dominer le marché pour toujours. Mais la stratégie consistant à étendre d'abord la technologie conventionnelle, puis à introduire des conceptions innovantes pour continuer à réduire le coût par watt de l'énergie solaire, les a mis en bonne position pour conserver leur avance pendant des années. En attendant, certains, comme Suntech, travaillent à produire leurs propres panneaux à couche mince. Lorsque les films minces remplacent le silicium cristallin, ce pourraient être des fabricants chinois qui les fabriquent.

Kevin Bullis est Examen de la technologie Rédacteur en chef pour Energy.

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