Nouveau record du monde pour des cellules solaires
Une efficacité record avec moins de 2 micromètres de silicium. © PVLab / EPFL 2013
L’Institut de microtechnique de l'EPFL a obtenu une efficacité de 10,7% pour une cellule solaire en couches minces de silicium, battant un record du monde établi en 1998. Ces cellules utilisent 100 fois moins de matière première que les technologies usuelles, soit deux micromètres seulement de matériau photovoltaïque actif.
Le laboratoire de photovoltaïque (PV-Lab) de EPFL, faisant partie de son Institut de microtechnique (IMT) à Neuchâtel, a établi un nouveau record du monde d'efficacité pour une cellule en silicium de type «microcristallin». Avec un rendement de 10,7%, les chercheurs suisses ont dépassé de 0,6% le précédent record, détenu depuis 1998 par la société japonaise Kaneka Corporation. Cette efficacité remarquable a été confirmée de manière indépendante par l'Institut Fraunhofer (ISE CalLab solar cells) de Freiburg (Allemagne).
Ce résultat pourrait de prime abord paraître décevant par rapport aux standards de l’industrie photovoltaïque, qui propose des modules dont l’efficacité s’échelonne entre 15 et 20%. La technologie photovoltaïque classique se base toutefois sur des tranches («wafers») de silicium cristallin ayant une épaisseur d'environ 180 micromètres. La technologie développée au PV-Lab permet au contraire d’atteindre 10,7% de rendement avec 1,8 micromètre de silicium seulement, soit 100 fois moins de matière que pour les technologies classiques. Ce procédé permet ainsi d’économiser les matières premières et offre de courts temps de «retour énergétique» : l’énergie nécessaire à la production des modules est récupérée en moins d’une année dans les régions ensoleillées.
Ces avantages se traduisent par des prix de production de modules aussi bas que 40 CHF/m2, atteignant le niveau de prix des tuiles en terre cuite utilisées pour les toitures.
«Une compréhension approfondie a été acquise ces dernières années à la fois dans la conception des cellules, dans la qualité des matériaux utilisés et dans un piégeage efficace de la lumière, qui, combinés à l'optimisation des procédés de fabrication, ont conduit à cette efficacité record», souligne Simon Hänni, doctorant à l’IMT. Fait important, les procédés employés peuvent être facilement transférés au niveau du module.
Combinaison de silicium cristallin et amorphe
Les progrès réalisés sont d'une importance primordiale pour accroître l'efficacité des dispositifs photovoltaïques en couche mince : une jonction de silicium microcristallin est systématiquement utilisée en combinaison avec du silicium amorphe pour former des dispositifs à jonctions multiples, qui permettent de couvrir le spectre solaire de manière optimale et d’obtenir ainsi des rendements supérieurs. L’efficacité obtenue aujourd’hui par l’équipe de Fanny Meillaud et Matthieu Despeisse indique clairement que le potentiel des cellules en couches minces de silicium peut être étendu à des rendements de conversion de 13,5% avec une utilisation minimale de matières premières. Ces dernières sont de surcroît abondantes (donc à faible coût) et non-toxiques, un module de silicium en couches minces contenant seulement deux verres et quelques microns de zinc et de silicium, qui permettent ainsi un recyclage aisé.
Les travaux conduisant à ce résultat ont été soutenus par l'Office fédéral suisse de l'énergie (OFEN), le programme FP7-UE, le Fonds national suisse (FNS) et la Commission pour la technologie et l'innovation (CTI).