Le silicium est un matériau essentiel dans la conception des cellules solaires actuellement sur le marché et dans les travaux de recherche pour les générations futures. Il reste indispensable pour leur fabrication et semble avoir encore de beaux jours devant lui. En effet, les centrales photovoltaïques actuelles utilisent principalement du silicium polycristallin pour atteindre des rendements d’environ 20 %. Pour des performances encore meilleures, proches de 22 % voire 22,5 %, les cellules sont majoritairement conçues avec du silicium monocristallin associé à la technologie PERC (Passivated Emitter and Rear Contact). Cette technologie permet de réduire la présence d’aluminium à l’arrière de la cellule, ce qui limite la production d’électricité. Une évolution de cette technologie, appelée PERC+, permet même de capter le rayonnement solaire depuis la face arrière pour une meilleure efficacité.
Un record mondial avec un rendement de 24,63 %
Dans le monde compétitif du solaire, chaque amélioration de rendement est cruciale pour stimuler les ventes. Les industriels cherchent maintenant à atteindre des performances comprises entre 23 % et 25 %. Deux approches se distinguent avec des niveaux de maturité différents. La première consiste à ajouter une couche de silicium polycristallin sur le silicium monocristallin, une technologie appelée TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact). Cela permet d’augmenter le rendement d’environ 1 %. La deuxième approche, nommée hétérojonction de silicium (HJT), est plus novatrice. Elle combine les technologies de la microélectronique, des nanotechnologies et des procédés de dépôt utilisés pour les écrans plats. Cette innovation consiste à déposer une couche de silicium amorphe sur une cellule en silicium monocristallin. Elle présente l’avantage d’être compatible avec la technologie bifaciale et son processus de fabrication relativement simple permet de réduire les coûts. Cette technologie a permis d’atteindre un rendement record de 24,63 %, transféré à la société italienne d’électricité ENEL Green Power pour une production en série.
Pour dépasser le seuil des 25 %, la recherche s’oriente maintenant vers les cellules tandem. Cette technologie consiste à déposer une couche d’un autre matériau sur le silicium pour améliorer ses propriétés. Les pérovskites semblent être la piste la plus prometteuse. Elles permettent d’élargir le spectre d’absorption de la lumière et ainsi d’optimiser la collecte des électrons, ce qui se traduit par une augmentation de rendement. Les cellules à hétérojonction sont particulièrement adaptées à cette association. Le CEA-Liten à l’INES prévoit de présenter une première preuve de concept d’une cellule tandem associant hétérojonction de silicium et pérovskites l’année prochaine. Sur une petite surface, le rendement pourrait atteindre les 30 %. Pour des plaquettes de plus grande taille destinées aux centrales photovoltaïques, l’institut espère obtenir une efficacité entre 27 et 28 %. Après cette validation, il faudra encore deux à trois ans avant de pouvoir transférer cette technologie à un industriel.
Les matériaux III-V, trop chers
D’autres matériaux sont également étudiés pour fabriquer des cellules tandem, en utilisant le silicium monocristallin comme substrat de base. Malgré des résultats encourageants, certains de ces matériaux, comme les matériaux III-V tels que le GaAs (Arséniure de gallium), se révèlent trop coûteux pour le marché des panneaux solaires à bas prix. Bien que des cellules soient capables de produire des rendements de 40 % voire 50 %, ces innovations n’ont pas encore été adaptées à une production de masse. Selon Anis Jouini, le silicium restera le matériau de base pour la fabrication des centrales photovoltaïques pendant les 10 à 15 prochaines années.
Le silicium est donc un matériau incontournable dans la conception des cellules solaires. Les avancées technologiques continuent à améliorer leurs performances et à réduire leurs coûts. Grâce à des innovations telles que l’hétérojonction de silicium et les cellules tandem, le rendement des panneaux solaires continue à progresser. Le futur des cellules solaires semble prometteur avec le silicium au cœur de cette belle aventure énergétique.
