La hausse des prix et la faible disponibilité des matières premières, en particulier l'argent, entraînent une augmentation des coûts de production des modules photovoltaïques. Les chercheurs de Fraunhofer ont mis au point un procédé de galvanoplastie qui consiste à remplacer l'argent, un métal précieux coûteux, par du cuivre, qui est plus facilement disponible. Ils ont également réussi à remplacer les polymères qui restent généralement après les processus de galvanoplastie et dont l'élimination est coûteuse, en utilisant à la place de l'aluminium facilement recyclable pour le masquage. Afin d'accélérer la mise sur le marché de la technologie, la spin-off PV2+ a été lancée.

Lorsqu'il s'agit de produire de l'électricité à partir d'énergies renouvelables, le photovoltaïque est un pilier. Les cellules solaires à hétérojonction modernes ont un CO₂ particulièrement faible empreinte écologique en raison des faibles quantités de silicium utilisées pour leur production, et lorsqu'il s'agit de production industrielle, ils atteignent les niveaux d'efficacité les plus élevés. Par conséquent, il y a de fortes chances que cette technologie devienne la norme en matière de production. Des chiffres montrent l'importance croissante du photovoltaïque. Selon l'Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA), plus de 96 TWh d'énergie ont été produits par les systèmes photovoltaïques dans le monde en 2012, qui sont passés à près de 831 TWh d'ici 2020. Selon l'Agence allemande pour l'environnement, la quantité d'électricité produite à partir du photovoltaïque dans L'Allemagne est passée de près de 27 TWh à près de 50 TWh sur la même période.

Ce n'est en aucun cas la limite de ce que le photovoltaïque peut offrir. Cependant, lors de la fabrication de cellules solaires, de l'argent précieux est utilisé pour les jeux de barres et les contacts, qui conduisent l'électricité générée dans la couche de silicium au moyen du rayonnement solaire. Le coût de ce métal précieux ne cesse d'augmenter :aujourd'hui encore, l'argent représente environ 10 % du prix de fabrication d'un module photovoltaïque. De plus, il n'y a que des quantités limitées de métal disponible sur Terre. L'industrie solaire traite 15% de l'argent extrait, mais en raison du taux de croissance élevé de l'industrie, cette proportion est appelée à augmenter fortement. Cela ne sera cependant pas viable, car d'autres secteurs tels que l'électromobilité et la technologie 5G signalent également une augmentation future attendue de leur utilisation de l'argent. C'est pourquoi l'industrie solaire a besoin d'innovations technologiques révolutionnaires pour réaliser son plein potentiel.

Cuivre pour les contacts des cellules solaires

Des chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire ISE ont relevé ce défi. Avec environ 1 400 employés, cet institut basé à Fribourg est le plus grand institut de recherche solaire en Europe. Une équipe de chercheurs dirigée par le Dr Markus Glatthaar, expert en métallisation et structuration, a mis au point un procédé de galvanoplastie pour la technologie prometteuse de l'hétérojonction afin de remplacer l'argent par du cuivre. Le cuivre est bien moins cher et plus facilement disponible que l'argent.

Pour s'assurer que la surface électriquement conductrice de la cellule solaire n'est pas complètement galvanisée avec du cuivre, les zones de la surface qui ne doivent pas être revêtues doivent d'abord être masquées. Ces zones sont recouvertes d'un revêtement qui a un effet électriquement isolant, empêchant ainsi leur dépôt électrolytique. La couche de cuivre ne s'accumulera que dans les zones non recouvertes d'isolant.

Les chercheurs ont fait une autre avancée significative ici :jusqu'à présent, des laques à base de polymères ou des feuilles laminées coûteuses ont été utilisées dans cette industrie pour masquer la plaquette de silicium dans le bain d'électrolyte. L'élimination correcte des polymères est un processus coûteux qui génère beaucoup de déchets. Le Dr Glatthaar et son équipe ont pu remplacer les polymères par de l'aluminium. Tout comme le cuivre, l'aluminium est entièrement recyclable. Changer les matériaux deux fois, de l'argent au cuivre et du polymère à l'aluminium, apporte également deux fois plus d'avantages :la production de cellules solaires est non seulement plus durable, mais aussi beaucoup moins chère.

Une avancée scientifique :une galvanoplastie innovante et des électrolytes améliorés

Mais comment les chercheurs sont-ils parvenus à remplacer l'argent, un métal précieux coûteux ? "Nous avons développé un procédé spécial de galvanoplastie qui permet d'utiliser du cuivre au lieu de l'argent pour les jeux de barres", explique le Dr Glatthaar. Cela améliore même la conductivité - les lignes de contact en cuivre sont particulièrement étroites en raison de leur structuration laser. En raison de la largeur extrêmement petite de la ligne de cuivre de seulement 19 μm (micromètres), la couche de silicium absorbant la lumière subit moins d'ombrage qu'avec les lignes d'argent. Ceci et la conductivité élevée du cuivre électrolytique améliorent le rendement électrique.

L'équipe Fraunhofer a également réalisé une deuxième prouesse technologique en utilisant l'aluminium comme couche de masquage. La difficulté ici est la nature électriquement conductrice de l'aluminium, qui le rend à première vue impropre à une utilisation comme masque. Les chercheurs de Fraunhofer ont profité du fait que l'aluminium peut former une couche d'oxyde isolante à sa surface. Cependant, cette couche n'a que quelques nanomètres d'épaisseur. « Nous avons pu adapter les paramètres du processus et développer un type spécial d'électrolyte qui garantit que la couche d'oxyde natif extrêmement mince de l'aluminium peut remplir de manière fiable sa fonction isolante. Il s'agissait d'une étape importante pour le succès de notre projet de recherche », a déclaré le Dr. Glatthaar est heureux d'annoncer.

En tant que matériaux recyclables, le cuivre et l'aluminium peuvent rapprocher la production photovoltaïque de l'économie circulaire, améliorant ainsi les normes environnementales et sociales. "Étant donné que nous avons suffisamment de cuivre en Allemagne, les chaînes d'approvisionnement sont beaucoup plus courtes et le prix dépend moins des marchés internationaux des matières premières ou des fournisseurs étrangers", ajoute le Dr Glatthaar.

La spin-off PV2+ apporte la technologie solaire sur le marché

Afin de commercialiser plus rapidement cette technologie prometteuse, Fraunhofer ISE a lancé le spin-off PV2+. Les lettres « P » et « V » désignent le photovoltaïque, le « 2+ » indiquant la double charge positive des ions de cuivre dans le bain de galvanoplastie. La société est également basée à Fribourg, avec le chercheur de Fraunhofer, le Dr Glatthaar, en tant que PDG. Il vise à mettre en place une usine pilote de production avec des partenaires industriels dès le début de 2023.

Comme l'explique le professeur Andreas Bett, directeur de l'institut Fraunhofer ISE, "Ces cellules solaires innovantes sont un tremplin important sur la voie d'une future alimentation électrique basée sur les énergies renouvelables. Elles donneront à l'industrie photovoltaïque un coup de pouce indispensable. spin-off a un énorme potentiel pour s'implanter rapidement et avec succès sur le marché. Et bien sûr, nous sommes particulièrement heureux que ces technologies aient été développées dans notre institut. + Explorer plus loin

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