Les coûts des panneaux solaires ont chuté au cours des dernières années, conduisant à des taux d'installations solaires bien supérieurs à ce que la plupart des analystes avaient prévu. Mais avec la plupart des domaines potentiels d'économies déjà poussés à l'extrême, d'autres réductions de coûts sont de plus en plus difficiles à trouver.

Maintenant, des chercheurs du MIT et du National Renewable Energy Laboratory (NREL) ont décrit une voie à suivre pour réduire davantage les coûts, cette fois en amincissant les cellules de silicium elles-mêmes.

Des cellules de silicium plus minces ont déjà été explorées, surtout il y a une douzaine d'années, lorsque le coût du silicium a culminé en raison de pénuries d'approvisionnement. Mais cette approche souffrait de quelques difficultés :Les plaques de silicium minces étaient trop cassantes et fragiles, conduisant à des niveaux de pertes inacceptables au cours du processus de fabrication, et ils avaient une efficacité moindre. Les chercheurs disent qu'il existe désormais des moyens de commencer à relever ces défis grâce à l'utilisation d'un meilleur équipement de manipulation et de certains développements récents dans l'architecture des cellules solaires.

Les nouvelles découvertes sont détaillées dans un article de la revue Sciences de l'énergie et de l'environnement , co-écrit par le postdoctorant MIT Zhe Liu, professeur de génie mécanique Tonio Buonassisi, et cinq autres au MIT et au NREL.

Les chercheurs qualifient leur approche de « techno-économique, " soulignant qu'à ce stade, les considérations économiques sont aussi cruciales que les considérations technologiques pour parvenir à de nouvelles améliorations de l'abordabilité des panneaux solaires.

Actuellement, 90 pour cent des panneaux solaires dans le monde sont fabriqués à partir de silicium cristallin, et l'industrie continue de croître à un taux d'environ 30 pour cent par an, disent les chercheurs. Les cellules photovoltaïques au silicium d'aujourd'hui, le cœur de ces panneaux solaires, sont constitués de plaquettes de silicium de 160 micromètres d'épaisseur, mais avec des méthodes de manipulation améliorées, les chercheurs proposent que cela pourrait être réduit à 100 micromètres - et éventuellement aussi peu que 40 micromètres ou moins, qui ne nécessiterait qu'un quart de silicium pour une taille de panneau donnée.

Cela pourrait non seulement réduire le coût des panneaux individuels, ils disent, mais plus important encore, cela pourrait permettre une expansion rapide de la capacité de fabrication de panneaux solaires. C'est parce que l'expansion peut être limitée par les limites de la vitesse à laquelle de nouvelles usines peuvent être construites pour produire les lingots de cristal de silicium qui sont ensuite tranchés comme du salami pour fabriquer les plaquettes. Ces plantes, qui sont généralement séparés des usines de fabrication de cellules solaires elles-mêmes, ont tendance à être à forte intensité de capital et de temps à construire, ce qui pourrait conduire à un goulot d'étranglement dans le taux d'expansion de la production de panneaux solaires. La réduction de l'épaisseur de la plaquette pourrait potentiellement atténuer ce problème, disent les chercheurs.

L'étude a examiné les niveaux d'efficacité de quatre variantes de l'architecture des cellules solaires, y compris les cellules PERC (émetteur passivé et contact arrière) et d'autres technologies avancées à haut rendement, comparer leurs sorties à différents niveaux d'épaisseur. L'équipe a constaté qu'il y avait en fait peu de baisse des performances jusqu'à des épaisseurs aussi faibles que 40 micromètres, en utilisant les procédés de fabrication améliorés d'aujourd'hui.

"Nous voyons qu'il y a cette zone (des graphiques d'efficacité en fonction de l'épaisseur) où l'efficacité est plate, " Liu dit, "Et c'est donc la région où vous pourriez potentiellement économiser de l'argent." En raison de ces progrès dans l'architecture cellulaire, il dit, "nous avons vraiment commencé à voir qu'il était temps de revoir les coûts-avantages."

Changer les énormes usines de fabrication de panneaux pour s'adapter aux plaquettes plus minces sera un processus long et coûteux, mais l'analyse montre que les avantages peuvent largement dépasser les coûts, dit Liu. Il faudra du temps pour développer l'équipement et les procédures nécessaires pour permettre le matériau plus mince, mais avec la technologie existante, il dit, "il devrait être relativement simple de descendre à 100 micromètres, ", ce qui permettrait déjà de réaliser des économies importantes. D'autres améliorations technologiques, telles qu'une meilleure détection des microfissures avant qu'elles ne se développent, pourraient contribuer à réduire davantage les épaisseurs.

À l'avenir, l'épaisseur pourrait potentiellement être réduite jusqu'à 15 micromètres, il dit. De nouvelles technologies qui font pousser directement des plaquettes minces de cristal de silicium plutôt que de les découper à partir d'un cylindre plus grand pourraient aider à permettre un tel amincissement supplémentaire, il dit.

Le développement du silicium mince a reçu peu d'attention ces dernières années car le prix du silicium a baissé par rapport à son pic antérieur. Mais, en raison des réductions de coûts qui ont déjà eu lieu dans l'efficacité des cellules solaires et d'autres parties du processus de fabrication des panneaux solaires et de la chaîne d'approvisionnement, le coût du silicium est encore une fois un facteur qui peut faire la différence, il dit.

« L'efficacité ne peut augmenter que de quelques pour cent. Donc, si vous souhaitez obtenir d'autres améliorations, l'épaisseur est la voie à suivre, " dit Buonassisi. Mais la conversion nécessitera d'importants investissements en capital pour un déploiement à grande échelle.

Le but de cette étude, il dit, est de fournir une feuille de route à ceux qui envisagent d'étendre les technologies de fabrication solaire. En rendant le chemin « concret et tangible, " il dit, cela peut aider les entreprises à intégrer cela dans leur planification. "Il y a un chemin, " dit-il. " Ce n'est pas facile, mais il y a un chemin. Et pour les premiers arrivants, l'avantage est important."

Ce qui peut être nécessaire, il dit, est pour les différents acteurs clés de l'industrie de se réunir et de définir un ensemble spécifique d'étapes et de normes convenues, comme l'a fait très tôt l'industrie des circuits intégrés pour permettre la croissance explosive de cette industrie. "Ce serait vraiment transformateur, " il dit.

André Augusto, un chercheur associé à l'Arizona State University qui n'était pas lié à cette recherche, dit "le raffinage de la fabrication de silicium et de plaquettes est la partie la plus coûteuse en capital (capex) du processus de fabrication de panneaux solaires. Ainsi, dans un scénario d'expansion rapide, l'approvisionnement en plaquettes peut devenir un problème. L'amincissement résout en partie ce problème car vous pouvez fabriquer plus de plaquettes par machine sans augmenter de manière significative les dépenses d'investissement. " de meilleures performances dans des conditions plus chaudes.

L'analyste des énergies renouvelables Gregory Wilson de Gregory Wilson Consulting, qui n'était pas associé à ce travail, dit « L'impact de la réduction de la quantité de silicium utilisé dans les cellules grand public serait très important, comme le souligne le journal. Le gain le plus évident réside dans le montant total de capital requis pour faire évoluer l'industrie photovoltaïque à l'échelle de plusieurs térawatts requise par le problème du changement climatique. Un autre avantage réside dans la quantité d'énergie requise pour produire des panneaux photovoltaïques en silicium. En effet, les processus de production de polysilicium et de croissance de lingots nécessaires à la production de cellules à haut rendement sont très énergivores. »

Wilson ajoute « les principaux fabricants de cellules et de modules photovoltaïques ont besoin d'entendre des groupes crédibles comme le professeur Buonassisi du MIT, car ils feront ce changement quand ils pourront clairement voir les avantages économiques. »

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.