Jeudi 24 avril 2014

« Nous produirons des cellules photovoltaïques avec 50% de rendement avant 2020 »

Solaire | Aucune réaction

par Olivier Barrellier | Cleantech Republic | 12.12.11

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Si les rendements des panneaux photovoltaïques ont fortement grimpé lors de la dernière décennie, le passage des 20% a cependant marqué une inflexion dans cette progression. Heureusement, les laboratoires de recherche regorgent de pistes, et même de solutions, pour propulser l’efficacité des panneaux photovoltaïques vers des niveaux jusqu’alors inimaginables. Les explications de Rafael Kleiman et Siva Sivoththaman, deux chercheurs canadiens rencontrés, fin novembre en Ontario, par Cleantech Republic.

Nos deux invités

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  • Rafael Kleiman est Directeur du laboratoire de recherche avancée sur le photovoltaïque (LAPR) de l’université Mc Master (Hamilton, Ontario)——————————————————————-
  • corps_sivoththaman_111212Siva Sivoththaman est Directeur du Centre pour les systèmes photovoltaïques avancés (CAPDS) de l’université de Waterloo (Ontario)

Cleantech Republic : Comment expliquer ce plafond de rendement des cellules photovoltaïques actuelles ?

Rafael Kleiman : C’est tout simplement une limite physique ! Les cellules actuelles ne contenant qu’une seule jonction (ndr : zone de contact entre deux couches de silicium), nous nous heurtons à un plafond théorique de 33,5%, appelé « limite de Shockley-Queisser ». Plus précisément, une jonction actuelle ne peut tout simplement pas réagir à la totalité du spectre lumineux dont une grande partie est alors perdue ou transformée en chaleur. En pratique, la véritable limite est plutôt de 25% car chaque point supplémentaire coûterait beaucoup trop cher à produire.

Mais pourquoi chercher le rendement ? Qu’en est-il de la stratégie low-cost à bas rendement ?

Rafael Kleiman : Elle est à mon sens ineffective car elle atteint rapidement ses limites. En effet, le coût d’une installation ne se résume pas au prix des panneaux, loin s’en faut. En augmentant la surface de panneaux à installer, on augmente mécaniquement les coûts de main d’œuvre et de matériel annexe, notamment l’électronique. La multiplication des accessoires engendre alors une complexité et des répercussions potentielles sur l’exploitation : maintenance, gestion de la production…

Il s’agit de changer d’époque…

Siva Sivoththaman : Il y a effectivement une nécessité évidente de trouver des technologies de rupture au niveau des cellules car nous sommes au bout des modèles actuels. Mais il ne faut pas oublier que la cellule, même si elle en constitue le cœur, n’est qu’une partie d’un dispositif photovoltaïque. Il y a également de nombreuses recherches en cours sur les panneaux et l’électronique. Enfin, j’ajouterais à la contrainte financière rappelée par Rafael, une dimension sécurité et santé. Il nous faut absolument l’intégrer à nos recherches, surtout lorsque l’on manipule des nano-matériaux.

Concept cellule multi-jonction (cliquer pour agrandir)

Concept cellule multi-jonction (cliquer pour agrandir)

Quelle technologie incarne aujourd’hui l’avenir du photovoltaïque ?

Rafael Kleiman : A mon avis, la prochaine rupture technologique commercialisée avec succès sera la cellule multi-jonction. C’est un concept très ancien, puisque Texas Instrument l’a breveté en 1955 ! Mais nous avons aujourd’hui la possibilité de faire passer cette technologie à un stade commercial en quelques années. L’idée est assez simple : il s’agit d’empiler plusieurs jonctions collectant chacune une bande passante différente du spectre lumineux.

Pour quel niveau de rendement ?

Rafael Kleiman : Avec une cellule multi-jonction, on change véritablement de dimension car la limite théorique, en y adjoignant un système de concentration, est de 83% ! Pour l’instant, les meilleurs labos ont déjà atteint 43%. Je suis persuadé que nous pourrons produire des cellules avec 50% de rendement avant 2020.

Siva Sivoththaman : Effectivement les cellules multi-jonctions sont notre meilleure solution à moyen terme. Attention cependant à ne pas confondre les records de laboratoire avec l’arrivée d’un produit fini sur le marché. Il y a un monde entre la réalisation d’une mini-cellule de 2mm sur 2 et la fabrication d’un panneau commercialement exploitable.

Nanotubes

Nanotubes

A plus longue échéance, quelles sont les autres pistes de recherche ?

Siva Sivoththaman : Nous croyons beaucoup à l’ingénierie spectrale et plus précisément à la photo-conversion à l’aide de nano-tubes. Cela consiste à tapisser les cellules d’une couche de nano-tubes qui vont en quelque sorte resserrer le spectre lumineux, comme un entonnoir à fréquence. Autrement dit, ces nano-tubes peuvent combiner deux photons d’énergie n en un seul photon d’énergie 2n, ou l’inverse. Pour l’instant, cela fonctionne en laboratoire, il faudra encore de longues années pour passer à la production de masse. Nous travaillons également sur des technologies de concentration, de stockage, de fabrication de silicium de très grande qualité. Nous ajoutons enfin la dimension exploitation à nos travaux en ajoutant de l’intelligence dans les systèmes photovoltaïques (NDR : bypass individuel des cellules, communication entre cellules…) et en prévoyant leur recyclage.

Ces sujets de recherche semblent très variés. Tout comme vos interlocuteurs ?

Rafael Kleiman : La recherche photovoltaïque est effectivement fortement pluri-disciplinaire. Nous travaillons avec des
physiciens, des chimistes, des électroniciens, ou des informaticiens. C’est pourquoi nous avons monté un réseau (NSERC Photovoltaic PV Network) qui compte déjà près de 50 chercheurs et 200 étudiants rien qu’en Ontario.

Siva Sivoththaman : Il faut aussi associer les industriels à nos travaux de recherche. Nous avons donc installé une véritable ligne de production de cellules et de panneaux au sein même de notre laboratoire. Nous pouvons ainsi anticiper les problématiques du passage à la production à grande échelle.

Photo de Une : Cellule photovoltaïque multi-jonction de Solar Junction (i-micronews.com)

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