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Une brève discussion sur les types de cellules solaires
L'énergie solaire était autrefois l'apanage des engins spatiaux de pointe et de quelques 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, ce qui représente 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] Bien que 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 l’attention.
Il existe actuellement trois grandes catégories de cellules solaires (également appelées cellules photovoltaïques (PV)) sur le marché : les cellules cristallines, les cellules à couches minces et les technologies émergentes. Ces trois types de batteries présentent chacun leurs avantages en termes d'efficacité, de coût et de durée de vie.
01 cristal
La plupart des panneaux solaires de toit résidentiels sont fabriqués en silicium monocristallin de haute pureté. Ces dernières années, ce type de batterie a atteint 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 il est moins efficace et a une durée de vie plus courte. Une efficacité moindre nécessite davantage de panneaux et une surface plus importante.
Cellules solairesLes cellules solaires multijonctions à base d'arséniure de gallium (GaAs) sont plus performantes que les cellules solaires traditionnelles. Elles présentent une structure multicouche, chaque couche utilisant un matériau différent, comme le phosphure d'indium et de gallium (GaInP), l'arséniure d'indium et de gallium (InGaAs) et le germanium (Ge), pour absorber les différentes longueurs d'onde de la lumière solaire. Bien que ces cellules multijonctions soient censées atteindre un rendement élevé, elles souffrent encore de coûts de fabrication élevés et d'un manque de maturité en recherche et développement, ce qui limite leur faisabilité commerciale et leurs applications pratiques.
02 film
Les modules photovoltaïques en tellurure de cadmium (CdTe) constituent la principale source de produits photovoltaïques à couches minces sur le marché mondial. Des millions de ces modules ont été installés dans le monde, avec une capacité de production d'électricité de pointe de plus de 30 GW. Ils sont principalement utilisés pour la production d'électricité à grande échelle aux États-Unis.
Grâce à cette technologie à couches minces, un module solaire d'un 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, un métal insoluble dans l'eau qui reste stable jusqu'à 1 200 °C. Ces facteurs atténuent les risques toxiques liés à l'utilisation du 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 avoir une incidence significative sur le coût d'un module en tellurure de cadmium. Il est toutefois possible d'atténuer ce problème grâce au 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 aux batteries à cristal.
03Technologies émergentes
Les nouvelles technologies photovoltaïques utilisant des films ultra-minces (moins d'un 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 concurrencer des matériaux reconnus 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-zinc-étain (Cu2ZnSn4 ou CZTS), le phosphure de zinc (Zn3P2) et les nanotubes de carbone monoparoi (SWCNT). En laboratoire, les cellules solaires au séléniure de cuivre-indium-gallium (CIGS) ont atteint un rendement maximal impressionnant de 22,4 %. Cependant, reproduire ces niveaux d’efficacité à l’échelle commerciale reste un défi.
[7] Les cellules à couche mince de pérovskite aux halogénures de plomb constituent une technologie solaire émergente prometteuse. La pérovskite est une substance dont la structure cristalline typique est de formule chimique ABX3. Il s'agit d'un minéral jaune, brun ou noir dont le principal composant est le titanate de calcium (CaTiO3). Les cellules solaires tandem à base de pérovskite à base de silicium produites à l'échelle commerciale 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 rendements similaires à ceux des cellules à couches minces de tellurure de cadmium existantes. Aux débuts de la recherche et du développement des batteries à pérovskite, la durée de vie était un enjeu 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. Elles présentent des avantages tels qu'un rendement de conversion élevé (supérieur à 25 %), de faibles coûts de production et des températures de production basses.
Panneaux solaires intégrés au bâtiment
Certaines cellules solaires sont conçues pour ne capter qu'une partie du spectre solaire tout en laissant passer la lumière visible. Ces cellules transparentes, appelées cellules solaires à colorant (DSC), ont été créées en Suisse en 1991. Les résultats de la recherche et développement de ces dernières années ont amélioré leur rendement, et ces panneaux solaires pourraient bientôt être commercialisés.
Certaines entreprises infusent des nanoparticules inorganiques dans des couches de verre en polycarbonate. Grâce à cette technologie, les nanoparticules 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 les cellules solaires. Par ailleurs, une technologie permettant d'appliquer des 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 accroître la production d'énergie solaire, la demande d'extraction de matières premières essentielles telles que le silicium, l'argent, le cuivre et l'aluminium va augmenter. Le Département de l'Énergie des États-Unis indique qu'environ 12 % du silicium métallurgique (MGS) mondial est transformé en polysilicium pour les panneaux solaires.
La Chine est un acteur majeur dans ce domaine, produisant environ 70 % du MGS mondial 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'extraction de l'argent se fait principalement au Mexique, en Chine, au Pérou, au Chili, en Australie, en Russie et en Pologne, et peut entraîner des problèmes tels que la contamination par les métaux lourds et la relocalisation forcée des communautés locales.
L'exploitation du cuivre et de l'aluminium pose également des problèmes d'aménagement du territoire. L'Institut d'études géologiques des États-Unis (USGS) 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 la consommation mondiale d'énergies renouvelables atteint 100 % d'ici 2050, la demande de cuivre issue des projets solaires triplera presque.
[13]Conclusion
L'énergie solaire deviendra-t-elle un jour notre principale source d'énergie ? Son prix baisse et son efficacité s'améliore. En attendant, de nombreuses technologies solaires sont envisageables. Quand identifierons-nous une ou deux technologies et les mettrons-nous réellement en œuvre ? Comment intégrer l'énergie solaire au réseau ?
L'évolution de l'énergie solaire, passant d'une technologie spécialisée à une technologie grand public, met en évidence son potentiel à répondre à nos besoins énergétiques, voire à les dépasser. Si les cellules solaires cristallines dominent actuellement le marché, les avancées technologiques en couches minces et les 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 reste confrontée à de nombreux défis, tels que l'impact environnemental de l'extraction des matières premières et les goulots d'étranglement de la production. Malgré tout, il s'agit d'un secteur en pleine croissance, innovant et prometteur.
Grâce à un juste équilibre entre avancées 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, elle connaîtra une croissance significative dans le mix énergétique américain et devrait devenir une solution durable à l'échelle mondiale.