Encouragées par la perspective d'un rendement élevé des modules à faible coût de production, les entreprises qui développent des cellules solaires à base de pérovskite espèrent proposer une innovation révolutionnaire dans le domaine de l'énergie solaire.
Crédit : Dennis Schroeder / NREL
L'adage selon lequel « ce qui a été fait se reproduira » s'applique largement au marché solaire terrestre, dominé par les technologies photovoltaïques au silicium cristallin (c-Si). À ce jour, seuls les modules à couche mince en tellurure de cadmium (CdTe), popularisés par First Solar, ont véritablement remis en cause l'hégémonie du c-Si à grande échelle, s'adjugeant environ 5 % de parts de marché à l'échelle mondiale et 40 % dans le secteur des services publics aux États-Unis. Les entreprises développant des cellules solaires à base de pérovskite cherchent à renverser la tendance et à déployer de nouvelles technologies photovoltaïques à une échelle sans précédent.
En tant que laboratoire d'essais indépendant, RETC teste les produits et technologies solaires de nouvelle génération afin de valider la conception des produits et d'apporter une valeur ajoutée aux activités de mise sur le marché. Fort de sa vision unique et privilégiée du secteur, RETC estime que l'horizon de commercialisation des produits solaires utilisant des matériaux à base de pérovskite pourrait être plus proche que ne le pensent certains acteurs du secteur. Dans cette optique, cet article propose une introduction technique ainsi qu'un aperçu du potentiel de disruption sur le marché et des écueils potentiels liés aux modules photovoltaïques à base de pérovskite.
MATÉRIAUX ET APPLICATIONS
Tirant son nom du minéralogiste russe Lev Perovski, le terme « perovskites » désigne une classe de composés chimiques présentant une structure cristalline similaire à celle de l’oxyde de calcium et de titane présent à l’état naturel. En tant que matériau semi-conducteur, la perovskite minérale est capable d’absorber la lumière et de générer l’effet photovoltaïque. Les composés de perovskite ont généralement une formule chimique de type ABX₃, où A et B représentent des cations bivalents et tétravalents, et X est un anion qui se lie aux deux.
En tant que composés, les pérovskites offrent une excellente flexibilité de composition, permettant ainsi la création de structures pérovskitiques combinant de nombreux atomes et molécules différents. Cette flexibilité a fait des pérovskites un nouveau domaine passionnant pour les scientifiques spécialisés dans les matériaux, les chimistes et les physiciens. Selon la combinaison des éléments, les composés pérovskitiques présentent différentes propriétés optiques et électriques. Les pérovskites synthétiques présentent de nombreuses applications potentielles, notamment les détecteurs de rayons X, les lasers, les antennes à l'échelle nanométrique, les écrans à très haute résolution… et les cellules solaires.
En tirant parti de la capacité d’ajustement des pérovskites, les scientifiques ont réussi à créer des matériaux semi-conducteurs dont les propriétés s’apparentent à celles du silicium. Les pérovskites halogénées se sont révélées très prometteuses pour les applications photovoltaïques, offrant une excellente absorption de la lumière, de bonnes propriétés de photoexcitation et une bonne mobilité des porteurs de charge. Mieux encore, il est possible d’ajuster ces matériaux pour qu’ils correspondent parfaitement au spectre du rayonnement solaire.
OPPORTUNITÉ DE MARCHÉ
Les technologies photovoltaïques à base de pérovskite correspondent au profil d’une technologie émergente susceptible de bouleverser le marché de l’énergie solaire tel que nous le connaissons aujourd’hui. Pour atteindre les objectifs mondiaux d’atténuation des risques climatiques, il faudra une expansion rapide des capacités de production d’énergie solaire. Afin de répondre aux préoccupations en matière de sécurité énergétique et de renforcer les retombées économiques régionales, les décideurs politiques aux États-Unis et dans l’Union européenne soutiennent les investissements dans les énergies propres à un niveau sans précédent. Ces forces du marché pourraient aider les pérovskites à passer du stade de la recherche et du développement à celui de la commercialisation.
La proposition de valeur fondamentale des pérovskites dans les applications solaires est multiforme et indéniablement convaincante. En termes de performances, les cellules photovoltaïques exclusivement à base de pérovskite ont connu une évolution rapide, passant d’un rendement de conversion de 3 % en 2009 à près de 26 % aujourd’hui. Cette courbe d’apprentissage sans précédent permet aux cellules « héros » en pérovskite de petite surface d’atteindre des niveaux de rendement supérieurs à ceux des autres technologies solaires à couche mince à jonction unique. De plus, les fabricants peuvent associer des perovskites en couche mince à des cellules photovoltaïques conventionnelles en silicium cristallin (c-Si). Les rendements records des cellules photovoltaïques en tandem « perovskite sur silicium » dépassent les 33 %.
En ce qui concerne la fabricabilité, les pérovskites sont des matériaux en couche mince qui se prêtent aussi bien au dépôt sous vide sur un support rigide qu’au traitement « roll-to-roll » sur un support souple. Bien que le traitement continu « roll-to-roll » soit relativement récent dans le domaine de l’énergie solaire, les fabricants utilisent depuis longtemps cette approche pour produire des films photographiques et chimiques. La fabrication à grande échelle de pérovskites pourrait un jour s’apparenter à l’impression de journaux, avec des revêtements abordables, semblables à de l’encre, ouvrant la voie à une ère de transformation dans le développement de l’énergie solaire à l’échelle du térawatt.
« L’un des atouts majeurs des pérovskites réside dans leur chaîne d’approvisionnement rationalisée », note Brian Grenko, vice-président de VDE Americas, une société spécialisée dans la due diligence technique. « Prenons l’exemple de toutes les étapes nécessaires à la fabrication de modules photovoltaïques classiques en silicium cristallin. Nous traitons la silice à haute température pour la transformer en polysilicium, un processus très gourmand en énergie. En général, nous transportons le polysilicium sur de longues distances vers un autre site de fabrication où nous le refondons à haute température pour former des lingots, qui sont ensuite découpés en plaquettes. Ces plaquettes peuvent être acheminées vers un autre site encore pour être transformées en cellules solaires avant l’assemblage des modules photovoltaïques.
« Imaginez maintenant un processus de fabrication de modules photovoltaïques à base de pérovskite où les matières premières entrent par une extrémité de l'usine et les produits finis en sortent par l'autre. La fabrication « roll-to-roll » serait révolutionnaire du point de vue du coût par watt — et ce n’est pas la seule voie d’accès au marché pour les pérovskites. Les fabricants travaillent également sur des méthodes innovantes pour déposer des pérovskites sur du silicium. Alors que les fabricants approchent des limites de rendement des cellules photovoltaïques conventionnelles à jonction unique en silicium cristallin, les cellules tandem silicium-pérovskite constituent un moyen pour l’industrie d’étendre sa feuille de route technologique existante. »
Pérovskites halogénées obtenues par dépôt en phase vapeur à une échelle supérieure à celle du laboratoire. (Crédit : Dennis Schroeder / NREL)
CONSIDÉRATIONS RELATIVES À LA BANCABILITÉ
La mise sur le marché des produits solaires à base de pérovskite pose des défis techniques importants et comporte des risques en termes de performances. Par rapport aux technologies conventionnelles de cellules photovoltaïques, les pérovskites sont plus sensibles à la dégradation induite par la lumière, la température et la tension, ce qui soulève des problèmes potentiels liés à la durabilité à long terme des produits. Certains composés de pérovskite prometteurs contiennent des traces de plomb, ce qui soulève des préoccupations environnementales liées à la toxicité de ce métal.
Au-delà des considérations liées à la science des matériaux, les pérovskites posent des défis en matière de fabrication. Le passage des équipements et procédés de laboratoire à une production commerciale à grande échelle est intrinsèquement difficile. Y parvenir avec une technologie de cellules innovante tout en conservant des rendements de conversion élevés dans des conceptions de produits de grande surface représente un défi encore plus grand.
« Les nouvelles technologies comportent également un aspect commercial qui rend leur intégration difficile », explique Benjamin Lemkau, directeur senior chargé de la technologie des systèmes photovoltaïques solaires chez RWE. « C’est une chose de disposer d’une technologie de cellules meilleure et plus efficace. C’en est une autre de convaincre les clients de l’acheter. Les parties prenantes qui se trouvent de l’autre côté de la table sont souvent très conservatrices. Il est difficile de convaincre un fournisseur d’électricité de signer un contrat d’achat d’électricité sur 25 ou 30 ans en utilisant une technologie dont l’expérience sur le terrain est encore limitée. »
L'expertise du RETC en matière de programmes d'essais « au-delà de la qualification » et de « bancabilité » sera inestimable pour le déploiement à grande échelle des technologies de modules photovoltaïques à base de pérovskite. D'une part, la norme de qualification des produits CEI 61215 constitue un excellent moyen d'identifier les défauts de conception, de matériaux et de procédés dont on sait déjà qu'ils entraînent des défaillances prématurées en service. D’autre part, les exigences minimales ne permettent pas de caractériser la durabilité ou les performances à long terme en conditions réelles d’exploitation. De plus, les normes d’essai minimales ne permettent généralement pas de détecter les modes de défaillance en conditions réelles d’exploitation qui n’ont pas encore été identifiés.
Dans le meilleur des cas, les essais minimaux de qualification des produits actuellement en vigueur permettraient d’évaluer la durabilité des nouvelles technologies de cellules photovoltaïques sur une période de 5 à 7 ans. Dans le pire des cas, ces nouvelles technologies pourraient se dégrader ou présenter des défaillances inédites dans un délai plus court. Les essais « au-delà de la qualification », en revanche, utilisent des séquences d’essais prolongées et fortement accélérées afin de mettre en évidence les mécanismes d’usure et les modes de défaillance connus et inconnus. À ce titre, le « Thresher Test » du RETC — ainsi nommé en raison de sa capacité à séparer le bon grain de l’ivraie — peut aider les fabricants et les parties prenantes des projets à caractériser la durabilité et les performances à long terme des cellules et modules photovoltaïques de nouvelle génération à base de pérovskite.
—Cet article a été initialement publié dans le rapport « PV Module Index » de 2023.
