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Le laboratoire où se prépare le futur du photovoltaïque
Dans les locaux du pôle d’innovation neuchâtelois Microcity, l’équipe de physiciens du professeur Christophe Ballif travaille à augmenter le rendement des panneaux photovoltaïques.
Une ambiance studieuse règne dans le laboratoire. Des silhouettes en blouse blanche affairées, le bourdonnement des ordinateurs, quelques mots échangés à voix basse. C’est là, à l’étage inférieur de l’un des bâtiments du pôle d’innovation neuchâtelois de l’EPFL et du Centre suisse d’électronique et de microtechnique (CSEM) à Microcity, qu’une équipe de recherche est en train de peaufiner ce qui s’annonce comme une révolution dans le monde des énergies vertes: des cellules photovoltaïques produisant un tiers de plus que le rendement maximal atteint jusqu’ici. Les enjeux sont conséquents: dégager davantage d’électricité au mètre carré permet de réduire la taille des infrastructures, et donc leur impact visuel. «Cela veut aussi dire que, en plus de baisser les coûts d’installation, on a besoin de moins de matière première par kWh produit, ajoute Christophe Ballif, professeur chapeautant ce travail. En conséquence, le prix et l’énergie grise nécessaire diminuent.»
DEUX ÉTUDES, UN OBJECTIF
Le premier projet porte sur l’augmentation du rendement des cellules photovoltaïques en silicium: par pulvérisation cathodique, une méthode de traitement de surface grâce
à laquelle est déposée une couche extrêmement mince de matière, un nouveau contact est appliqué sur le silicium. «Cela permet de s’approcher du rendement théorique
maximal de ce type de cellule», détaille Christophe Ballif. Le rendement, soit le rapport entre l’énergie lumineuse captée par la cellule et celle qu’elle transforme en électricité, oscille aujourd’hui entre 21 et 23%. Cette nouvelle approche est susceptible de le tirer vers le haut, pour atteindre au moins 25, voire 26%. C’est toutefois la seconde étude qui cristallise le plus d’espoirs. Elle porte sur une meilleure utilisation du spectre lumineux
«On cherche un moyen pour mieux exploiter les parties visibles et infrarouges de la lumière du soleil.»
exploitable par la cellule. «Le silicium absorbe une lumière allant de l’ultraviolet à l’infrarouge, mais la tension, donc les volts produits, est dictée par la partie infrarouge du spectre. Au mieux, on peut obtenir environ 0,75 V, alors que les photons bleus pourraient en théorie donner 3 V. On cherche donc un moyen pour mieux exploiter les parties visibles et infrarouges de la lumière du soleil.» La piste la plus prometteuse consiste à juxtaposer deux cellules aux propriétés distinctes.
LA QUÊTE DE LA SIMPLICITÉ
La technique n’est pas inédite: «Cela se pratique déjà dans le domaine spatial, note Christophe Ballif. Néanmoins, cette technologie est extrêmement coûteuse, environ
deux mille fois plus que ce que représente une cellule en silicium classique.» Mais il détient peut-être la clé pour rendre cette approche plus abordable: un matériau nommé pérovskite (lire l’encadré ci-dessous). Ce semi-conducteur de très haute qualité, appliqué sous forme d’une solution en une fi ne couche sur le silicium, permet de faire exploser le rendement de la cellule solaire et de passer la barre symbolique des 30%. En juin 2022, l’équipe du professeur Ballif a établi un record mondial à 31,25%, la première fois que des matériaux bon marché dépassaient la barrière des 30%. Depuis, les résultats ont été publiés dans la prestigieuse revue Science. Reste à démontrer la faisabilité de ce nouveau type de panneau photovoltaïque encore confronté à quelques écueils techniques pour pouvoir être développé, enfin, à une échelle industrielle. Le tout dans un contexte très concurrentiel. «Le premier défi , c’est d’obtenir un meilleur rendement avec une technique aussi simple que possible, ce qui rendra le procédé avantageux aussi bien sur le plan financier qu’environnemental, résume Christophe Ballif. Et le deuxième défi est de «stabiliser» les cellules solaires en pérovskite, qui ne sont pas encore aussi fiables que celles en silicium. Il faudra encore de nombreuses années pour voir des produits sur le marché. Nous sommes en train de chercher les meilleures solutions afin de rationaliser le processus.»
Grâce à la technologie développée par Christophe Ballif et son équipe, le rendement de la cellule solaire a dépassé la barre des 30%, un record.
macro shooting of natural mineral rock specimen - crystalline Perovskite stone on white marble background
PROMETTEUSE PÉROVSKITE
Dans le domaine de l’énergie solaire, son nom est sur toutes les lèvres. La pérovskite, une famille de minéraux à structure, permet de capter particulièrement efficacement la lumière visible, en générant une tension de plus de 1,25 V, contrairement aux cellules en silicium traditionnelles qui donnent davantage de courant, mais ont une tension inférieure. Autant dire que ces nouveaux matériaux, dont les constituants se trouvent en abondance dans la croûte terrestre, sont au coeur de mille spéculations.
LE PHOTOVOLTAÏQUE,
COMMENT ÇA MARCHE?
Changer la lumière en électricité: c’est aussi facile à dire que complexe à mettre en oeuvre. Au coeur de ce petit miracle de la physique, une cellule photovoltaïque composée de silicium. Abondant sur la planète – on le trouve dans le sable et le quartz –, ce semi-conducteur voit les électrons qui composent ses atomes s’agiter en contact avec les photons émis par la lumière du soleil. Ce mouvement, canalisé par les deux pôles de la cellule, crée un courant électrique.
ÉNERGIE D’AVENIR
Si la ville de Neuchâtel est à la pointe de l’innovation dans le domaine du solaire, c’est parce qu’on y mène des recherches depuis les années 1990 déjà. «L’action conjointe de l’EPFL pour la recherche et du CSEM pour le volet industriel permet de développer un savoir-faire tout en étant axé sur le concret. Tous les laboratoires n’ont pas cette maîtrise ni ce dynamisme.» Des qualités d’autant plus importantes que le photovoltaïque se profile comme la source d’énergie de demain: sur le papier, la seule utilisation des toits et des façades permettrait de couvrir les besoins en électricité de la Suisse, et c’est compter sans les parcs solaires situés sur les parkings, hors des zones habitées ou encore en montagne ni une augmentation du rendement des panneaux. «Pour gérer les variations de production entre été et hiver ou jour et nuit, cette source d’énergie devra être combinée avec l’hydraulique, l’éolien et la biomasse, sans oublier une plus grande sobriété du côté de notre consommation.» Sur le plan du recyclage aussi, la filière s’organise. «Un panneau photovoltaïque n’est pas franchement compliqué à recycler, note le scientifique. Il est composé essentiellement de verre et de plastique, ainsi que de silicium que l’on pourra récupérer. Sa durée de vie est estimée à au moins une trentaine d’années, on est loin de celle d’un smartphone!» Les panneaux d’aujourd’hui peuvent être créés en divers formats et mille nuances de couleurs, se prêtant par exemple à la fabrication de tuiles. Savoir-faire, durabilité, efficience et recyclabilité: à l’heure où l’approvisionnement énergétique est au centre des débats, l’horizon semble radieux pour le solaire suisse.