D’après pv magazine international
Dix scientifiques ont projeté les trajectoires d’innovation des principales technologies de cellules photovoltaïques au cours des cinq prochaines années, dans un article en libre accès publié dans la revue Cell. Bien que la capacité photovoltaïque installée dans le monde dépasse 1 térawatt (1 000 GW), la contribution de l’énergie photovoltaïque à la production mondiale d’électricité reste faible, selon les auteurs, de l’ordre de 5 à 6 %. Compte tenu du « besoin urgent » de déployer l’énergie photovoltaïque à l’échelle de plusieurs térawatts (TW) au cours des deux prochaines décennies pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, « l’innovation en matière de dispositifs photovoltaïques revêt un caractère d’urgence et un impact nouveaux ».
La poursuite de la recherche qui conduit à des progrès « même relativement faibles » en matière d’efficacité, de fiabilité et d’efficacité de fabrication « aura des répercussions majeures à l’avenir à l’échelle de plusieurs TW », affirment les auteurs, car ces facteurs se combinent pour rendre « la proposition de valeur de plus en plus convaincante » pour la production d’électricité par le photovoltaïque.
Silicium Cristallin
Alors que le photovoltaïque au silicium cristallin représentait 95% du marché en 2022, dans un « scénario à l’échelle du térawatt » dans lequel le photovoltaïque serait omniprésent, plusieurs technologies pourraient être complémentaires ou combinées, affirment les auteurs de l’étude.
La technologie photovoltaïque au silicium connue sous le nom de TOPCon (tunnel oxide passivating contact), avec une part de marché de 23 %, « dépassera » la production de cellules photovoltaïques PERC (passivated emitter and rear cell) d’ici à 2025 et « deviendra probablement la technologie de choix pour la fabrication de nouvelles cellules aux États-Unis », prédit l’article.
Selon les auteurs, les cellules photovoltaïques en silicium cristallin s’approchent de l’efficacité maximale théorique de 29,4 % pour une jonction unique.
Des recherches sont encore nécessaires, notent-ils, pour développer des contacts passivants à haute température et à zone sélective des deux côtés de la cellule photovoltaïque (« TOPCon avancé »), pour améliorer la transparence et la conductivité des contacts de la technologie d’hétérojonction (HJT) (« HJT avancé »), et pour combiner les dernières technologies HJT ou TOPCon avec une structure de contact arrière interdigité (IBC), « qui pourrait atteindre un rendement pratique ultime de 28 % peut-être dès 2025 ».
Cependant, à mesure que l’on s’approche de la limite théorique, « plusieurs nouveaux modes de dégradation, appelés dégradation induite par les porteurs, et des défauts métastables sont dévoilés », affirment les auteurs.
L’industrie « s’efforce de réduire ou d’éliminer » l’utilisation de matériaux rares tels que l’argent pour la formation des lignes de grille et l’indium utilisé dans les oxydes conducteurs transparents, affirment les auteurs. Plusieurs entreprises photovoltaïques et laboratoires de recherche ont annoncé la conception de cellules photovoltaïques HJT avec une consommation d’indium réduite « ou même des cellules HJT sans indium ».
Technologie tandem
Selon les auteurs, de nombreuses technologies de cellules solaires en tandem ont été proposées pour dépasser les limites d’efficacité de la jonction unique.
La mise au point de cellules tandem monolithiques à 2 bornes pérovskite/silicium, « considérée par beaucoup comme la solution la plus probable et la plus rentable », est actuellement le domaine de recherche le plus actif et a déjà permis d’atteindre un rendement record de 33,7 % pour une cellule de petite surface (1 centimètre carré).
Pour une cellule tandem à deux terminaux d’une efficacité de 30 %, « l’efficacité de la cellule supérieure est nettement plus importante que celle de la cellule inférieure », de sorte que « toute technologie de cellule au silicium ou presque » pourrait être considérée comme un concurrent potentiel pour la cellule inférieure.
S’il ne fait aucun doute que des rendements supérieurs à 30 % seront bientôt disponibles dans le commerce pour les cellules de grande surface, « la stabilité doit encore être améliorée », affirment les auteurs. Pour atteindre le même coût levé de l’électricité (LCOE) que les technologies établies « solvables », « le dispositif tandem ne peut se dégrader que de moins de 0,5 % par an ».
Tellurure de cadmium
La technologie photovoltaïque au tellurure de cadmium (CdTe) représente 25 % des installations photovoltaïques à grande échelle aux États-Unis, mais seulement 5 % du marché mondial. Les chercheurs prévoient, sur la base d’une cellule First Solar avec un matériau dopé à l’arsenic qui a atteint un rendement de 22,3 %, que les cellules Cd(Se,Te) dopées avec un matériau du groupe V « deviendront la principale plate-forme pour la recherche, le développement et la fabrication ».
CIGS
En ce qui concerne la technologie CIGS, dont la formulation originale utilise le cuivre, l’indium, le gallium et le sélénium, les auteurs affirment que la combinaison du CIGS dans les applications tandem est « l’un des principaux axes de développement futur ». Les dispositifs tandem CIGS « ne se limitent pas à l’association du CIGS avec des pérovskites », ajoutent-ils, car « ils peuvent être fabriqués avec de nombreux matériaux, y compris des alliages à base de CdTe, de Si ou de CIGS avec différentes bandes interdites ».
Multi-jonction III-V
Les cellules photovoltaïques III-V à jonction multiple sont décrites par le ministère américain de l’énergie comme des cellules pouvant atteindre des rendements supérieurs à 45 % en utilisant plusieurs bandes interdites, ou jonctions, qui sont chacune conçues pour absorber une région spécifique du spectre solaire. Les cellules photovoltaïques III-V à jonctions multiples pourraient permettre « une production d’énergie significative dans l’espace », affirment les auteurs.
L’article, rédigé par cinq scientifiques du National Renewable Energy Laboratory des États-Unis et cinq autres de First Solar et d’instituts de recherche en Allemagne, aux États-Unis et en Chine, est intitulé « Photovoltaic device innovation for a solar future » (Innovation en matière de dispositifs photovoltaïques pour un avenir solaire).
Trois des coauteurs ont contribué à un article paru dans la revue Science au début de l’année, intitulé « Photovoltaics at multi-terawatt scale : Waiting is not an option ».
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