À la fin de l'un des étés les plus chauds jamais enregistrés, alors que les combats sur la façon d'alimenter les maisons font rage, l'énergie solaire renouvelable continue de présenter une option qui n'ajoute pas de manière significative de gaz à effet de serre à l'environnement en échange de l'éclairage et de la climatisation de nos maisons. Et on vient de lui donner un autre avantage grâce à la science des matériaux.

Dans une nouvelle étude publiée dans Énergies , les chercheurs ont trouvé un moyen de réduire les coûts de production des cellules solaires de plus de 10 pour cent.

"L'amélioration du coût par unité de puissance au niveau de la cellule peut avoir des effets massifs en aval, " dit Joshua Pearce, professeur de sciences des matériaux et de génie électrique à Michigan Tech. Déjà, il dit, Les coûts de l'énergie solaire sont comparables à ceux des formes conventionnelles d'électricité et constituent la source d'énergie qui connaît la croissance la plus rapide. Cette baisse de 10 % devrait pousser le solaire au premier plan encore plus rapidement.

Changer le silicium utilisé dans les cellules solaires pour les énergies renouvelables diminue les coûts

Le silicium est le matériau de capture de lumière standard utilisé dans les cellules solaires photovoltaïques (PV). Il se présente sous deux formes principales :des cristaux parfaits qui coûtent plus cher et produisent des rendements plus élevés et du silicium multicristallin qui coûte moins cher, mais offre des rendements inférieurs. Avec une gravure commune pour réduire la lumière réfléchie, les deux types perdent encore un peu de lumière, c'est ce qui donne à la plupart des panneaux solaires leur couleur bleue.

Les chercheurs savaient déjà que le silicium nano-texturé avec gravure sèche rend le silicium noir (noir-Si) plus efficace pour capturer la lumière que les traitements de gravure standard. Il n'a pas de couleur car le processus de gravure à sec prend une surface de silicium normalement plate et "la grave dans une forêt d'aiguilles nanométriques, " Pearce dit. "Ces aiguilles saisissent la lumière et ne la laissent pas s'échapper. C'est comme regarder dans les yeux de Dark Vador."

Normalement, une surface aussi élevée avec de nombreux défauts de surface nuirait aux performances électriques, mais des chercheurs de l'Université Aalto ont découvert que lorsque le silicium est également traité avec un revêtement de dépôt de couche atomique (ALD) approprié, les effets des défauts de surface sont atténués.

La pensée typique a été que le coût des cellules en Si noir de la gravure sèche et de l'ALD est trop cher pour une utilisation pratique, surtout dans une industrie où, Pearce dit, "les marges sont extrêmement serrées. Tout le monde essaie de faire baisser les coûts le plus possible."

Cependant, les résultats de leur étude ont choqué même Pearce. Alors que les chercheurs ont constaté que la production de cellules arrière individuelles à émetteur passif noir-Si (PERC) était entre 15,8 et 25,1% plus chère que la fabrication de cellules conventionnelles, ils ont également constaté que les gains d'efficacité et la possibilité d'utiliser le silicium multicristallin moins cher, le matériau de départ, l'emportaient de loin sur ces coûts supplémentaires :dans l'ensemble, le coût par unité de puissance a chuté de 10,8 %.

L'avenir des énergies renouvelables et de la production d'énergie solaire grâce à la science des matériaux

Le noir n'est pas seulement meilleur que le bleu en ce qui concerne les panneaux solaires. Les améliorations pourraient commencer à battre le principal concurrent des énergies renouvelables dans le domaine du changement climatique.

"Pour les gens qui pensent que la technologie du charbon va pouvoir rivaliser avec l'énergie solaire, ils devraient savoir que les coûts solaires continuent de baisser. La plupart des compagnies charbonnières sont déjà, ou près, en faillite maintenant, " dit Pearce. " Il n'y a aucun moyen que le charbon puisse rivaliser avec le solaire à l'avenir. "

Il ajoute, "Cette étude indique où va aller l'avenir de la fabrication photovoltaïque et ce que les pays pourraient vouloir faire pour se donner un avantage concurrentiel."

Faire équipe outre-Atlantique pour l'efficacité énergétique solaire

Pearce a terminé cette étude alors qu'il était en congé sabbatique en tant que président distingué Fulbright à l'Université Aalto en Finlande. Il travaillait avec le groupe de physique électronique de Hele Savin et avait accès à leurs données sur ces processus. Les chercheurs ont également pu obtenir des informations sur les coûts de fabrication auprès des entreprises, qui n'est pas publique, mais ont été autorisés à utiliser pour cette étude, ainsi que la littérature publiée sur les cellules solaires.

Bien que le prix au comptant des cellules solaires puisse changer de jour en jour, voire d'heure en heure, les résultats sont toujours valables. « C'est une baisse de 10 % entre les types de cellules quel que soit le nombre ce jour-là, " dit-il. C'est parce que les comparaisons ont été faites sur des coûts relatifs, pas les coûts absolus. C'est aussi pourquoi les tarifs fluctuant arbitrairement n'ont pas été pris en compte dans les calculs.

Quelle est la prochaine étape pour l'énergie solaire et les énergies renouvelables

Pearce dit que même si le processus de production peut encore être optimisé pour retirer quelques points de pourcentage d'efficacité supplémentaires, la prochaine étape de cette étude doit être utilisée par les décideurs politiques pour accélérer la fabrication de panneaux photovoltaïques. Pour un pays comme la Chine, qui domine déjà la fabrication mondiale de PV, "faire ce changement relativement petit est assez trivial." L'Union européenne, qui fabrique actuellement une grande partie des équipements de fabrication, devrait également « examiner attentivement la mise à l'échelle de la gravure ionique réactive en profondeur et des outils ALD pour répondre aux besoins du marché photovoltaïque en pleine expansion ». Il espère que des pays comme les États-Unis, qui dominait le champ solaire, utilisera ces données au niveau politique pour dépasser les fabricants internationaux, et investir dans la production de nouvelles machines pour fabriquer ces types de cellules solaires.

"Je ne sais pas quelle technologie finira par être celle qui dominera le champ solaire, " il a dit, cependant "L'étude montre l'impulsion économique claire pour se diriger vers le PERC de silicium noir gravé à sec qui n'existait pas auparavant."

Cette étude a été menée avec Chiara Modanese, Hannu Laine, Toni Pasanen et Hele Savin de l'Université Aalto en Finlande.