Une brève discussion sur les types de cellules solaires
L’énergie solaire était autrefois l’apanage des vaisseaux spatiaux avancés et de certains gadgets sophistiqués, mais ce n’est plus le cas. Au cours de la dernière décennie, l’énergie solaire est passée d’une source d’énergie de niche à un pilier majeur du paysage énergétique mondial.
La Terre est continuellement exposée à environ 173 000 TW de rayonnement solaire, soit plus de dix fois la demande moyenne mondiale en électricité.
[1] Cela signifie que l’énergie solaire a la capacité de répondre à tous nos besoins énergétiques.
Au premier semestre 2023, la production d’énergie solaire représentait 5,77 % de la production totale d’électricité aux États-Unis, contre 4,95 % en 2022.
[2] Même si les combustibles fossiles (principalement le gaz naturel et le charbon) représenteront jusqu'à 60,4 % de la production d'électricité aux États-Unis en 2022,
[3] Mais l’influence croissante de l’énergie solaire et le développement rapide de la technologie de l’énergie solaire méritent attention.
Actuellement, il existe trois grandes catégories de cellules solaires (également appelées cellules photovoltaïques (PV)) sur le marché : les technologies cristallines, à couches minces et émergentes. Ces trois types de batteries présentent leurs propres avantages en termes d’efficacité, de coût et de durée de vie.
01 cristal
La plupart des panneaux solaires sur les toits des maisons sont fabriqués à partir de silicium monocristallin de haute pureté. Ce type de batterie a atteint ces dernières années un rendement de plus de 26 % et une durée de vie de plus de 30 ans.
[4] L'efficacité actuelle des panneaux solaires domestiques est d'environ 22 %.
Le silicium polycristallin coûte moins cher que le silicium monocristallin, mais est moins efficace et a une durée de vie plus courte. Une efficacité moindre signifie que davantage de panneaux et plus de surface sont nécessaires.
Cellules solaires basées sur la technologie de l'arséniure de gallium multi-jonctions (GaAs) sont plus efficaces que les cellules solaires traditionnelles. Ces cellules ont une structure multicouche et chaque couche utilise un matériau différent, tel que le phosphure d'indium et de gallium (GaInP), l'arséniure d'indium et de gallium (InGaAs) et le germanium (Ge), pour absorber différentes longueurs d'onde de la lumière solaire. Bien que ces cellules multijonctions soient censées atteindre des rendements élevés, elles souffrent toujours de coûts de fabrication élevés et d’une recherche et développement immature, ce qui limite leur faisabilité commerciale et leurs applications pratiques.
02 film
Le courant dominant des produits photovoltaïques à couches minces sur le marché mondial est celui des modules photovoltaïques en tellurure de cadmium (CdTe). Des millions de modules de ce type ont été installés dans le monde, avec une capacité de production d’électricité maximale de plus de 30 GW. Ils sont principalement utilisés pour la production d’électricité à grande échelle aux États-Unis. usine.
Dans cette technologie à couche mince, un module solaire de 1 mètre carré contient moins de cadmium qu'une batterie nickel-cadmium (Ni-Cd) de taille AAA. De plus, le cadmium contenu dans les modules solaires est lié au tellure, qui est insoluble dans l'eau et reste stable à des températures pouvant atteindre 1 200 °C. Ces facteurs atténuent les risques toxiques liés à l’utilisation de tellurure de cadmium dans les batteries à couches minces.
La teneur en tellure de la croûte terrestre n'est que de 0,001 partie par million. Tout comme le platine est un élément rare, la rareté du tellure peut affecter considérablement le coût d'un module en tellurure de cadmium. Cependant, il est possible d'atténuer ce problème grâce à des pratiques de recyclage.
L'efficacité des modules en tellurure de cadmium peut atteindre 18,6 % et l'efficacité de la batterie dans un environnement de laboratoire peut dépasser 22 %. [5] L'utilisation du dopage à l'arsenic pour remplacer le dopage au cuivre, utilisé depuis longtemps, peut grandement améliorer la durée de vie du module et atteindre un niveau comparable à celui des batteries à cristal.
03Technologies émergentes
Les technologies photovoltaïques émergentes utilisant des films ultra-minces (moins de 1 micron) et des techniques de dépôt direct réduiront les coûts de production et fourniront des semi-conducteurs de haute qualité pour les cellules solaires. Ces technologies devraient devenir concurrentes de matériaux établis tels que le silicium, le tellurure de cadmium et l’arséniure de gallium.
[6]Il existe trois technologies de couches minces bien connues dans ce domaine : le sulfure de cuivre, de zinc et d'étain (Cu2ZnSnS4 ou CZTS), le phosphure de zinc (Zn3P2) et les nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT). En laboratoire, les cellules solaires au séléniure de cuivre, d'indium et de gallium (CIGS) ont atteint une efficacité maximale impressionnante de 22,4 %. Cependant, reproduire de tels niveaux d’efficacité à l’échelle commerciale reste un défi.
[7] Les cellules à couches minces aux halogénures de plomb et à la pérovskite constituent une technologie solaire émergente et attrayante. La pérovskite est un type de substance avec une structure cristalline typique de formule chimique ABX3. C'est un minéral jaune, brun ou noir dont le composant principal est le titanate de calcium (CaTiO3). Les cellules solaires tandem à base de pérovskite à base de silicium à l'échelle commerciale produites par la société britannique Oxford PV ont atteint un rendement record de 28,6 % et entreront en production cette année.
[8]En quelques années seulement, les cellules solaires à pérovskite ont atteint des efficacités similaires à celles des cellules à couches minces existantes au tellurure de cadmium. Au début de la recherche et du développement des batteries à pérovskite, la durée de vie était un problème majeur, si courte qu’elle ne pouvait être calculée qu’en mois.
Aujourd'hui, les cellules pérovskites ont une durée de vie de 25 ans ou plus. Actuellement, les avantages des cellules solaires à pérovskite sont un rendement de conversion élevé (plus de 25 %), de faibles coûts de production et les basses températures requises pour le processus de production.
Panneaux solaires intégrés au bâtiment
Certaines cellules solaires sont conçues pour capter seulement une partie du spectre solaire tout en laissant passer la lumière visible. Ces cellules transparentes sont appelées cellules solaires à colorant (DSC) et sont nées en Suisse en 1991. De nouveaux résultats en R&D ces dernières années ont amélioré l'efficacité des DSC, et ces panneaux solaires ne tarderont peut-être pas à être commercialisés.
Certaines entreprises infusent des nanoparticules inorganiques dans des couches de verre en polycarbonate. Les nanoparticules de cette technologie déplacent des parties spécifiques du spectre vers le bord du verre, laissant passer la majeure partie du spectre. La lumière concentrée au bord du verre est ensuite captée par des cellules solaires. En outre, la technologie permettant d'appliquer des matériaux à couches minces de pérovskite sur des fenêtres solaires transparentes et des murs extérieurs de bâtiments est actuellement à l'étude.
Matières premières nécessaires à l'énergie solaire
Pour augmenter la production d’énergie solaire, la demande d’extraction de matières premières importantes telles que le silicium, l’argent, le cuivre et l’aluminium va augmenter. Le ministère américain de l'Énergie déclare qu'environ 12 % du silicium de qualité métallurgique (MGS) mondial est transformé en polysilicium pour panneaux solaires.
La Chine est un acteur majeur dans ce domaine, produisant environ 70 % de la production mondiale de MGS et 77 % de son approvisionnement en polysilicium en 2020.
Le processus de conversion du silicium en polysilicium nécessite des températures très élevées. En Chine, l’énergie nécessaire à ces procédés provient principalement du charbon. Le Xinjiang dispose d'abondantes ressources en charbon et de faibles coûts d'électricité, et sa production de polysilicium représente 45 % de la production mondiale.
[12]La production de panneaux solaires consomme environ 10 % de l'argent mondial. L'exploitation de l'argent se produit principalement au Mexique, en Chine, au Pérou, au Chili, en Australie, en Russie et en Pologne et peut entraîner des problèmes tels qu'une contamination par les métaux lourds et une réinstallation forcée des communautés locales.
L’exploitation du cuivre et de l’aluminium pose également des problèmes d’utilisation des terres. L'US Geological Survey note que le Chili représente 27 % de la production mondiale de cuivre, suivi du Pérou (10 %), de la Chine (8 %) et de la République démocratique du Congo (8 %). L’Agence internationale de l’énergie (AIE) estime que si l’utilisation mondiale des énergies renouvelables atteint 100 % d’ici 2050, la demande de cuivre provenant des projets solaires triplera presque.
[13]Conclusion
L’énergie solaire deviendra-t-elle un jour notre principale source d’énergie ? Le prix de l’énergie solaire baisse et son efficacité s’améliore. Entre-temps, il existe de nombreuses voies différentes en matière de technologie solaire. Quand allons-nous identifier une ou deux technologies et les faire fonctionner réellement ? Comment intégrer l’énergie solaire au réseau ?
L'évolution de l'énergie solaire, du statut de spécialité à celui de courant dominant, met en évidence son potentiel à répondre et à dépasser nos besoins énergétiques. Alors que les cellules solaires cristallines dominent actuellement le marché, les progrès de la technologie des couches minces et des technologies émergentes telles que le tellurure de cadmium et les pérovskites ouvrent la voie à des applications solaires plus efficaces et intégrées. L’énergie solaire est encore confrontée à de nombreux défis, tels que l’impact environnemental de l’extraction des matières premières et les goulets d’étranglement dans la production, mais après tout, il s’agit d’une industrie à croissance rapide, innovante et prometteuse.
Avec un juste équilibre entre progrès technologiques et pratiques durables, la croissance et le développement de l’énergie solaire ouvriront la voie à un avenir énergétique plus propre et plus abondant. De ce fait, il entraînera une croissance significative du mix énergétique américain et devrait devenir une solution durable à l’échelle mondiale.