Énergie solaire: nous ne sommes qu'au début

Ce billet est publié dans le cadre de l'opération Têtes Chercheuses lancée par le HuffPost France, qui permet à des étudiants ou chercheurs de grandes écoles, d'universités ou de centres de recherche partenaires de promouvoir des projets innovants en les rendant accessibles, et ainsi participer au débat public.

"La réponse absolue aux défis énergétiques de l'humanité se lève tous les matins et se couche tous les soirs." C'est par cette affirmation optimiste que commence l'éditorial du 14 Août 2008 de la très sérieuse et célèbre revue scientifique Nature, soulignant ainsi le potentiel sous-estimé de la ressource énergétique solaire.

Le soleil, source d'énergie

En effet, le soleil envoie en permanence une quantité considérable d'énergie à la surface de la terre, énergie qui peut être convertie directement en électricité. La puissance totale du rayonnement solaire reçu sur Terre est plus de 10 000 fois supérieure à la puissance moyenne consommée par l'activité humaine.

L'énergie photovoltaïque consiste à convertir directement les photons du soleil en électrons. C'est un moyen de production d'électricité utilisé encore marginalement, mais en pleine croissance et très important pour la constitution d'un mix énergétique équilibré. En effet, le rayonnement solaire ne souffre pas des problèmes d'approvisionnement en combustible inhérents aux autres sources d'énergie telles que le nucléaire, le pétrole ou encore le gaz, car il est mieux réparti à la surface du globe. Le transfert de cette technologie à tout autre pays ne s'accompagne pas de risque géopolitique majeur (vs. guerres de l'eau ou du gaz).

Le principal problème posé aujourd'hui par le photovoltaïque est sa rentabilité énergétique et économique. Le temps de retour énergétique (i.e. temps au bout duquel le panneau photovoltaïque a produit plus d'énergie qu'il n'en n'a fallu pour assurer sa fabrication) peut paraître long (environ 1 à 3 ans), mais cette durée est à mettre en perspective avec les 25 ans de garantie de fonctionnement ainsi que la gratuité de l'ensoleillement.

La rentabilité économique prend quant à elle plus de temps. Elle est liée à deux grandeurs sur lesquelles se portent les efforts de recherche et de développement : le rendement de la conversion lumière/électricité et le coût du panneau solaire. Mais le succès du photovoltaïque à grande échelle (1000 GW soit environ 1000 tranches de centrales nucléaires) suppose aussi une évolution majeure de notre gestion de l'énergie, en prenant notamment en compte les problématiques de décentralisation, d'intermittence de la production et de stockage (production à proximité des lieux de consommation, variabilité météorologique, etc.)

La cellule au cœur de la recherche

Pour schématiser, une cellule solaire est constituée d'un empilement de plusieurs couches de matériaux. Chacune de ces couches a une fonction bien définie : l'une est par exemple optimisée pour être le lieu de la conversion efficace des photons en électrons, alors qu'une autre sert à en extraire le courant électrique. Actuellement, la grande majorité des cellules solaires composant les panneaux photovoltaïques disponibles dans le commerce sont constituées de silicium cristallin dit massif (quelques dixièmes de millimètre d'épaisseur). Le silicium, abondant et non toxique, est purifié, cristallisé et transformé en matériau photovoltaïque actif lors de procédés complexes, énergivores et relativement coûteux.

Le Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches Minces (LPICM) situé sur le campus de l'Ecole Polytechnique et impliqué dans la création du futur Institut Photovoltaïque Francilien (IPVF), vise le développement d'une technologie à bas coût, dont il s'agit aujourd'hui d'augmenter le rendement. Les recherches sur les technologies dites "Couches Minces" sont une alternative prometteuse pour pallier les défauts des panneaux actuels: elles visent à développer de nouveaux matériaux et procédés capables d'absorber la lumière avec une bonne efficacité mais pour des épaisseurs 10 à 100 fois plus faibles que le silicium cristallin massif (soit moins d'un dixième de l'épaisseur d'un cheveu!). Les avantages de cette approche sont nombreux : moins de matériau utilisé, procédés moins énergivores, coût et impact environnemental réduits, installation sur les toits simplifiée, compatibilité avec les applications flexibles.

Le plasma à l'origine des cellules

La technique classique employée au LPICM consiste à déposer les couches semi-conductrices par voie plasma. Quatrième état de la matière (avec les phases solide, liquide et gazeuse), le plasma est un milieu dans lequel les électrons ne sont plus liés aux atomes et peuvent se mouvoir plus librement. L'air électrifié des éclairs d'un orage est une belle illustration de ce que peut être un plasma. Pour (re-)créer en laboratoire ces conditions, nous disposons d'équipements spécifiques nommés réacteurs de dépôts.

Ce sont des enceintes où le vide peut être fait pour retirer les molécules présentes dans l'air (telles que l'oxygène, le diazote et le dioxyde de carbone). Une fois cette étape effectuée, des gaz sont injectés dans le réacteur. En appliquant entre deux électrodes parallèles un fort champ électrique, un plasma va s'y former et les électrons libérés de l'attraction des atomes vont pouvoir casser les molécules. Ce processus est une dissociation, et les molécules brisées, appelées radicaux, peuvent former des couches extrêmement minces, en se collant sur les substrats placés sur les électrodes.

Table 1. Etapes de réalisation de cellule solaires couches minces au LPICM: a) Réacteur de dépôt de couches de semi-conducteurs. b) Gaz ionisé (plasma) d'espèces réactives. c) Cellule photovoltaïque en silicium couche mince : la couche antireflet (bleu foncé) et la grille de contact sont visibles.

En s'appuyant sur cette technique, de récents travaux de thèses conduits au LPICM ont permis une amélioration du procédé de dépôt: on provoque au sein du plasma des chocs entre les radicaux eux-mêmes. Lors de leur télescopage, ils ont tendance à s'agréger ensemble pour former des particules de taille nanométrique. Ces nanoparticules viennent ensuite se coller à la surface en accélérant ainsi la formation des couches.

L'objectif des recherches en cours est l'étude et l'optimisation des matériaux déposés, en fonction des paramètres du réacteur tels que la puissance, la température, la pression et la nature des gaz. L'étude requiert de nombreux outils de diagnostic plasma et de caractérisation des qualités optique et électrique des matériaux synthétisés. Cette technique de dépôt pourra à terme apporter les solutions à haut rendement et à bas coût nécessaires au développement à grande échelle de l'énergie photovoltaïque.

Pour aller plus loin: lire l'étude

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