Les cellules photovoltaïque : de plus en plus rentables

Les cellules photovoltaïque : de plus en plus rentables 

Alors que la problématique de l’énergie est au cœur de l’actualité, le professeur Christophe Ballif nous ouvre les portes de son laboratoire de haute technologie, qui fabrique des cellules photovoltaïques à très haut rendement.

Le bâtiment de l’Institut de Microtechnique (IMT) de l’EPFL, sis à Neuchâtel. Pourtant, il  abrite l’un des plus grands groupes académique de recherche du monde dans le domaine de l’énergie solaire : le laboratoire de photovoltaïque (PVLAB), dirigé par le professeur Christophe Ballif. « Nous travaillons à la création de cellules photovoltaïques bon marché, avec un très bon rendement », explique modestement le chef de labo.

Une phrase simple qui cache pourtant des procédés de fabrication très sophistiqués. Les chercheurs travaillent en effet à la mise au point de cellules solaires à base de Silicium, ce qui requière  un excellent savoir-faire. « Nous utilisons le Silicium, car ce matériel est très abondant et non-toxique », note le professeur. La spécialité du laboratoire est le dépôt de couches minces de silicium. Ces couches sont basées soit sur du silicium amorphe (qui absorbe la lumière visible), soit sur du silicium microcristallin (spectre d’absorption allant jusqu’à l’infrarouge). Elles sont intégrées dans trois catégories de cellules solaires.

Jusqu’à 21% de rendement

La première méthode consiste à déposer ces couches directement sur une plaque de verre, à l’aide de procédés plasmas. On peut ainsi faire des cellules amorphes ou microcristalline ou combiner les deux dans une « cellule micromorphe » qui utilise au mieux le spectre solaire. Résultat : Moins de deux microns d’épaisseur de silicium suffisent pour obtenir des cellules solaires de 12% de rendement, avec un potentiel de coûts de fabrication très avantageux. Dans un deuxième groupe de recherche, les scientifiques s’attèlent à déposer ces couches non plus sur du verre, mais sur du plastique, du PET, soit une matière flexible. Les cellules qui en résultent frisent alors le 10% de rendement en laboratoire.  Quant au troisième procédé, « il me tient particulièrement à cœur », évoque Christophe Ballif. Une affection compréhensible, puisque c’est lui, qui, à son arrivée à Neuchâtel, a lancé le développement de cette technique, permettant au PVLAB de se positionner comme un des laboratoires pionniers au niveau mondial. Il s’agit de déposer des couches minces très fines de silicium amorphe directement sur une plaquette de silicium cristallin. Il en résulte des  « cellules à hétérojonction »,  dont le rendement est spectaculaire, puisqu’il atteint  les 21%.

« Actuellement, c’est l’une des seules façons de procéder qui reste simple et qui permet d’obtenir un tel rendement », indique Christophe Ballif. Ce type de panneaux solaires demeure sans doute pour l’heure plus cher que les modules en pure couche mince, puisqu’il nécessite des plaquettes de silicium. « Si un grand espace est disponible, dans une région ensoleillée, les cellules à couches minces (12% de rendement) seront sans doute plus avantageuses que celles à haut rendement pour produire du kWh bon marché. Par contre, si la surface est plus limitée, les technologies à haut rendement peuvent avoir un avantage fort.  Ainsi,  une personne ne disposant que d’un toit de 20m2, qui désire produire 4000 kWh par an, pourra se servir de cette nouvelle technologie. » Le potentiel de développement est donc énorme, et les industriels l’ont compris. La société  Roth und Rau (DE), par exemple, a installé en 2008 une filiale à Neuchâtel  pour collaborer avec le PVLAB. Elle est maintenant en train de commercialiser des équipements pour la fabrication de cellules solaires à haut rendement.

Une chaîne complète

Ce genre de collaboration implique que le laboratoire de photovoltaïque travaille au plus proche des besoins de l’industrie. C’est pourquoi les scientifiques étudient toutes les problématiques liées aux nouvelles technologies, et ce à  tous les échelons de la chaîne préindustrielle. Cela va de la fabrication de cellules solaires à la construction à la construction des panneaux photovoltaïques, dont toutes les propriétés sont étudiées. « L’aspect interdisciplinaire est à la fois intéressant et motivant pour les différentes équipes», indique Christophe Ballif. Même le design des modules est étudié. « L’un de nos groupe travaille sur le moyen d’intégrer de façon esthétique les panneaux solaires dans le milieu urbain. Il est ainsi possible de changer la couleur d’un module, en travaillant avec des polymères colorés». Il s’agit aussi d’assurer que la durée de vie d’un panneau solaire dépasse les 25 ans. « Nous effectuons également des tests pour voir comment il résistera aux éléments naturels. » Afin de simuler de fortes couches de neige, par exemple,  une charge de 500kg/m2 est appliquée sur les modules, afin de tester leur résistance. Rien n’est laissé au hasard.

« Il est techniquement possible d’abandonner le nucléaire »

Ces efforts seront-ils un jour récompensés par une application pratique étendue, à l’heure où l’énergie nucléaire est fortement remise en question? C’est en tout cas ce qu’espère Christophe Ballif. Pour le scientifique, le potentiel technique pour se passer du nucléaire existe, et les panneaux photovoltaïques en font partie. « Si tous les toits bien orientés de Suisse étaient recouverts de nos cellules à 21% de rendement, cela permettrait de produire 45% de l’électricité du pays. De fait, le potentiel photovoltaïque est énorme. Nous arriverons bientôt, par exemple, à faire de l’électricité pour 4 à 5 centimes le kWh dans les régions ensoleillées d’Europe », argumente-t-il.  Le scientifique insiste cependant sur le fait que, pour fonctionner avec des énergies plus respectueuses de l’environnement, l’effort devrait être global. « Il s’agit de plancher sur des méthodes de stockage et d’acheminement de l’électricité, , de créer des réseaux intelligents et de rendre complémentaire les différentes sources d’électricité. Dans un avenir proche le recours accru au gaz naturel pour des centrales d’appoint serait sans doute difficile à éviter en cas de renoncement au nucléaire. Et Il s’agirait bien sûr aussi d’améliorer l’efficacité énergétique, d’isoler les maisons, ainsi que de trouver un moyen de diminuer la consommation des véhicules à essence. » Reste à convaincre les politiques d’investir massivement dans la recherche et les énergies renouvelables. Et ce n’est pas gagné. Dans le domaine du solaire, notamment, les chercheurs suisses peinent à trouver les moyens nécessaires pour rester compétitifs. C’est pourquoi le Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique (CSEM), soutenu par l’EPFL, a lancé une initiative pour la construction d’un Centre national  pour le développement des technologies photovoltaïques. « Cela permettrait d’aller au-delà des missions d’un laboratoire académique comme le nôtre », se prend à rêver le professeur.

Laure-Anne Pessina

Photos: PVLab (Alain Herzog); Heterojunction cells from the PVLab (D. Houncheringer)