Au début des années 1990, une équipe de recherche dirigée par Andrew Blakes et Martin Green à l'Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW) en Australie s'efforçait de reconquérir le record mondial de la cellule solaire monocristalline la plus performante. Le groupe avait ouvert la voie tout au long des années 1980, avec une série de développements révolutionnaires qui ont fait passer le rendement de conversion énergétique des échantillons de cellules photovoltaïques fabriqués en laboratoire de 18 % en 1984 à 20 % en 1986, mais avait perdu la tête au profit d'une équipe concurrente de l'Université de Stanford en 1988.
En 1989, le groupe de l'UNSW a présenté un nouveau type de conception de cellule solaire, appelé cellule PERC (Passive Emitter Rear Collector), avec une efficacité de 22 à 23 %, permettant à l'équipe de récupérer le record du monde.
Tout au long des années 1990, les améliorations apportées par l'équipe à la technologie des cellules PERC ont porté l'efficacité des cellules à 25 %, un record qui tiendrait pendant 15 ans.
En 2015, les cellules solaires PERC étaient passées du stade de curiosité de laboratoire à celui de déploiement dans des panneaux solaires produits en série. Au cours des années suivantes, la technologie PERC en est venue à dominer le marché solaire. En 2019, toutes les lignes de fabrication de cellules solaires nouvellement installées étaient basées sur la technologie PERC, et les cellules PERC représentaient 65 % de toutes les cellules solaires fabriquées.
Ce que l'on peut constater à travers cette histoire, c'est que bien que les travaux de développement en laboratoire sur les cellules PERC aient été achevés en 1999, il a fallu attendre 16 ans de plus avant que les produits basés sur cette technologie n'apparaissent sur le marché.
Nous pouvons également constater sur le graphique qu'entre 1999 et 2014, aucun progrès supplémentaire n'a été réalisé dans l'amélioration de l'efficacité des cellules monocristallines dans les laboratoires du monde entier. Si les récentes avancées record mettent le même temps à passer des dispositifs de recherche à la fabrication en volume, nous devrons attendre jusqu'en 2030 avant qu'elles ne commencent à apparaître dans les panneaux solaires commerciaux.
Il est fort possible qu'en raison de la croissance massive de l'industrie solaire pendant cette période, les budgets de recherche actuels soient bien supérieurs à ceux de 1999, de sorte que nous n'aurons peut-être pas à attendre 16 ans. Cependant, l'introduction des cellules PERC pourrait indéniablement représenter un plateau dans la progression incessante de l'efficacité des cellules solaires, qui a caractérisé le marché solaire PV pendant de nombreuses années.
Comment les fabricants de panneaux ont-ils réagi ?
Face à des clients habitués à des panneaux dont la puissance augmentait chaque année, les fabricants ont eu recours à ce qui pourrait ressembler à une astuce bon marché. Si les cellules ne deviennent pas plus efficaces, augmentons la taille des panneaux. Une prolifération de différents formats de cellules et de tailles de panneaux est apparue. Consultez mon précédent blog sur la prolifération des formats de panneaux et de cellules.
Cette manœuvre pas si subtile a masqué le fait que la technologie a stagné. Bien que la puissance des panneaux augmente, la puissance spécifique (puissance par mètre carré) n'augmente que légèrement et ce, grâce à un agencement plus efficace des cellules dans les panneaux plus grands.
Cependant, il y a une limite à la taille d'un module avant que les inconvénients liés à la manipulation et à la facilité d'installation ne commencent à compenser et finalement à dépasser les avantages, en particulier dans le solaire en toiture où la manutention mécanique est plus difficile à organiser.
Quelle est la prochaine étape pour l'efficacité des cellules solaires ?
Le défi pour les chercheurs qui visent des gains d'efficacité des cellules solaires est que les cellules approchent déjà d'un mur – la limite de Shockley-Queisser. Cette limite d'efficacité théorique est basée sur des lois physiques. Pour une cellule de silicium monocristallin à jonction p-n unique, comme celles utilisées aujourd'hui dans les panneaux solaires, la limite est de 32 %. Avec des efficacités de cellules de laboratoire de 26,1 %, le record actuel représente déjà 81 % du maximum qu'il pourrait atteindre.
Certains acteurs de l'industrie désignent les cellules à hétérojonction (HJT) comme le successeur des cellules PERC. Introduites par Sanyo dans les années 1980 et acquises par Panasonic en 2009, les cellules solaires HJT affichent actuellement un record mondial d'efficacité de 26,7 %, légèrement supérieur à celui des cellules PERC, mais ces cellules ont une limite d'efficacité théorique similaire basée sur une seule jonction p-n.
Une façon de s'affranchir de la limite d'efficacité théorique est de créer une cellule contenant plusieurs jonctions p-n, chacune étant accordée à différentes longueurs d'onde. Une gamme plus large de longueurs d'onde lumineuses peut alors être convertie en électricité.
Parmi les approches explorant une cellule multicouche, une méthode appelée cellule pérovskite tandem semble la plus proche de la commercialisation. (Voir par exemple Oxford Photovoltaics). Un film mince de matériau pérovskite photovoltaïque est déposé sur la surface de la cellule de silicium. La pérovskite capte l'énergie d'un ensemble de longueurs d'onde lumineuses et permet au reste de passer pour être converti par la cellule de silicium située en dessous. Des efficacités approchant les 30 % ont été atteintes en laboratoire et, fait important, le taux d'amélioration est rapide, ce qui suggère de nouvelles avancées à venir.
Le problème auquel est confrontée toute technologie concurrente est de surmonter l'inertie des investissements massifs dans les usines de fabrication existantes de cellules de silicium cristallin et de prouver aux clients que la prochaine innovation aura une durée de vie équivalente. Ce qui est intéressant dans l'approche de la cellule pérovskite tandem, c'est qu'elle s'appuie littéralement sur la cellule de silicium cristallin bien éprouvée en y ajoutant une nouvelle couche. Les installations existantes pourraient être modifiées plutôt que mises au rebut, et la tâche de prouver la longévité est rendue légèrement moins difficile.
L'émergence rapide d'une industrie solaire mondiale a été stimulée par la réduction du coût de l'énergie produite par le solaire, en abaissant toujours plus le coût par watt-crête des modules PV. Les deux moteurs que sont les améliorations technologiques de la densité énergétique des cellules et les gains d'efficacité liés à l'échelle ont œuvré de concert pour faire baisser ce coût par watt-crête année après année.
Il semble désormais que les technologies de cellules qui ont permis à l'industrie d'atteindre ce niveau approchent de leurs limites.
Tant que les technologies de cellules révolutionnaires actuelles n'auront pas fait le chemin du laboratoire à la production de masse, à l'instar des inventions de l'équipe de l'UNSW, l'industrie solaire devra davantage s'appuyer sur les économies d'échelle et les efficacités de fabrication pour stimuler les améliorations.
Ce blog a été publié pour la première fois sur Solar Blogger ici