La course au rendement ralentie par les coûts

Erwan Humbert, , le 26/2/2009 à 0h00

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- La course au rendement ralentie par les coûts

Le soleil semble une source d’énergie inépuisable, malgré les quelques nuages qui traversent parfois l’horizon, et il semble à première vue qu’il suffise de capter ses rayons pour obtenir de l’électricité. C’est un peu vrai, mais ce n’est pas si simple. La technique est relativement complexe et peut se révéler coûteuse, et donc être peu compétitive face aux autres sources d’énergie, notamment pétrochimiques ou nucléaires, voire avec l’hydroélectricité ou l’éolien. Le challenge des industriels des énergies solaires est donc de trouver le bon compromis entre rendement et coût de production. Sans oublier que l’engagement dans le solaire est souvent un investissement à long terme, ce qui nécessite une durée de vie assez exceptionnelle pour un composant électronique : de l’ordre de 25 ans. Le principe de fonctionnement d’une cellule solaire est relativement simple et repose sur un effet photoélectrique : un semiconducteur exposé à la lumière est heurté par des photons qui arrachent des électrons qui se déplacent et créent un courant électrique. Les plus courantes sont en silicium avec une couche supérieure dopée N, une inférieure dopée P doublée d’une électrode, l’autre face étant dotée également d’une électrode, mais sous forme de grille pour laisser passer la lumière. Une couche supérieure antireflet permet de capter la lumière et pour optimiser le rendement de la cellule, le plus simple est d’ajuster le gap du semiconducteur pour qu’il corresponde au niveau d’énergie des photons. Pour être capable de capter au mieux l’énergie provenant de plusieurs longueurs d’ondes, il faut ainsi multiplier les jonctions, ce qui est réalisé par exemple pour des cellules destinées aux applications spatiales dont les rendements s’envolent, mais les prix également. L’institut de recherche en microélectronique belge Imec a, par exemple, dévoilé en début d’année une cellule photovoltaïque monojonction en arséniure de gallium sur substrat germanium atteignant un rendement record de 24,7 %. Destinés aux satellites, ces développements de cellules se font dans le cadre du projet ESA-IMAGER. L’institut de recherche compte empiler trois jonctions de semiconducteurs différents pour capter une plus large part du spectre solaire et atteindre ou dépasser les 35 % de rendement de conversion. On est loin de la dizaine de pour-cent qui font le gros du marché actuel en silicium monocristallin ou polycristallin. Autre astuce pour mieux capter les rayons : rajouter des concentrateurs qui augmentent la quantité de lumière atteignant la cellule. Ces procédés optiques ont des coûts qui pour l’instant limitent l’intérêt aux applications spatiales, d’autant que la chaleur monte également. L’une des contraintes des cellules en silicium, réside dans la taille des tranches dont le coût fluctuant et le format circulaire rendent la fabrication des cellules difficile à optimiser d’un point de vue économique. Un certain nombre d’acteurs se sont donc lancés dans le développement de cellules en couches minces qui permettent de s’affranchir de certaines limitations. Selon le japonais Sanyo, en passe d’être racheté par son compatriote Panasonic, pour son savoir-faire en accumulateurs et en photovoltaïque, un watt d’énergie solaire équivaut à 250 à 300 yens, soit 1,6 à 1,90 euro. Sa technologie de fabrication en couches minces permettrait d’abaisser son coût à seulement 150 yens soit 0,95 euro. Plus près de nous, en Allemagne, la société Sunfilm a lancé un projet ambitieux de production de cellules solaires en couches minces dans l’Etat fédéral de Saxe, projet dont l’investissement se monte à 393 millions d’euros dont 56 millions apportés par l’Etat allemand et coordonné à la création de 380 emplois. Dans la même optique la société allemande Ersol, contrôlée par la société Robert Bosch, a reçu 39,72 millions d’euros de financement supplémentaire portant à à 371 millions d’euros l’investissement dans une unité de production de modules solaires en couches minces à Erfurt en Allemagne (461 emplois). Sanyo a annoncé début février qu’il allait construire une troisième usine de cellules solaires. Cette usine, qui sera installée à Osaka (Japon), participe au plan de la société de doubler d’ici à 2011 sa production annuelle d’énergie solaire pour atteindre 620 MW crête par an. Elle devrait débuter la production en 2010 avec la technologie propriétaire de la société qui lui permet d’annoncer un rendement de conversion exceptionnel de 19,7 %. Il s’agit de cellules destinées aux petites surfaces comme le toit des maisons. Le Japonais aurait optimisé son procédé de production pour atteindre un tel rendement tout en maîtrisant les coûts. Il compte également fabriquer des cellules d’un autre type présentant un rendement de conversion plus faible pour les applications telles que les parcs solaires pour les régions à très fort ensoleillement. Cette fabrication devrait être effectuée dans une coentreprise avec le groupe pétrolier Nippon Oil, baptisée Sanyo Eneos Solar, avec une usine pilote au Japon de 80 MW crête en 2010 et par la suite d’autres usines à l’étranger pour atteindre 1 GW en 2015 et 2 GW crête en 2020. De son côté, son compatriote Mitsubishi Electric vient de battre ce qu’il estime être le record mondial en matière de rendement de conversion d’énergie avec une cellule solaire en silicium polycristallin. Son modèle qui mesure 150 x 150 mm atteint un rendement de 18,9 % soit, selon le Japonais, 0,3 point de mieux que le précédent record, obtenu en améliorant de 26 % l’absorption des rayonnements infrarouges. Dans les matériaux couches minces pour les cellules solaires, le cuivre indium gallium et sélénium (CIGS) forme un semiconducteur particulièrement intéressant avec sa structure de tétraèdre avec une hétérojonction. Des cellules en CIGS ont atteint en laboratoire, un rendement de conversion de 19,9 %. Plus prosaïque, l’américain Nanosolar a mis en production avec une capacité de 1 GW, des cellules solaires en CIGS spécifiées pour un rendement de conversion de 14 % avec un coût évalué à 0,99 dollar par watt crête en fort volume. Son procédé de production basé sur des encres nanométriques avec un système d’impression est compatible avec l’utilisation de feuilles de support conduc-trices et l’impression en continu. Son compatriote Solyndra décline cette technologie de cellules CIGS dans un format particulier. Au lieu de constituer des cellules planes qui forment ensuite des panneaux à incliner en fonction de la position sur le globe et à ancrer sur le sol ou la toiture, il enroule ces cellules sur un tube en verre. L’ensemble, similaire dans le format à un tube néon, présente l’avantage d’être hermétiquement scellé, ce qui améliorerait la durée de vie du fait d’une insensibilité à l’humidité. Par ailleurs, ce tube ne contient pas qu’une seule cellule solaire, mais plus d’une centaine d’éléments en série, avec un effet loupe pour la concentration des rayons lumineux. Enfin leur regroupement en panneaux (tubes espacés sur un châssis) permet de réduire la prise au vent, ce qui limite le besoin d’ancrage à un simple dépôt sur un support, et le besoin d’inclinaison qui devient quasiment nul. L’orientation nord/sud ou à 45 ° change de 1 % seulement la puissance crête, et ces cellules à plat offrent des puissances comparables à celles de cellules solaires silicium dotées de l’orientation maximale. La production de volume a démarré et une seconde usine est déjà en cours d’établissement.