Photovoltaïque (02) : les atouts prometteurs des couches minces

Photo d'ouverture : Pour parvenir au Bepos, il ne suffira pas d'installer du photovoltaïque en toiture. Il faudra investir aussi les façades avec des panneaux d'un nouveau type, dont les panneaux collables de l'allemand Heliatek (doc. Heliatek).

A côté du silicium mono- ou polycristallin, qui représente plus de 90% du marché mondial du photovoltaïque aujourd’hui, d’autres matières photovoltaïques se développent.

Elles sont regroupées dans la catégorie des « couches minces », car leur fabrication s’effectue en tunnels par dépôt de couches de matière sur un substrat de différente nature.

Les principales sont le silicium amorphe, non-cristallin et noté a-Si, le tellurure de cadmium (CdTe), l’arséniure de gallium (GaAs), le diséléniure de cuivre et indium, noté CIS ou CIGS et les matériaux organiques, dont le TiO₂.

Des rendements croissants

La plupart de ces technologies reposent sur des matières rares. Ce qui peut à terme limiter leur développement. Un panneau en CdTe contient environ 7 g/m² de cadmium, par exemple. Un cas d’incendie, des panneaux au CdTe peuvent relâcher du cadmium, ce qui est extrêmement dangereux.

C’est pourquoi, même First Solar, l’entreprise américaine principal producteur de modules au CdTe, les recommande pour les fermes photovoltaïques et non pour une installation en ville sur des bâtiments. Les cellules au CdTe de First Solar ont atteint 21% de rendement et 18,6% pour leurs modules.

En ce qui concerne le silicium amorphe, le centre de recherche japonais AIST a développé des cellules atteignant un rendement de 10,2%, tandis que ses cellules en silicium micro-cristallin ou nano-cristallin (noté nc-Si) montent à 11,8%.

Des cellules multicouches et multijonctions

AIST a également développé des cellules multicouches a-Si/nc-Si/nc-Si (13,6% de rendement) et a-Si/nc-Si (12,7%). Chaque couche adresse une partie différente du spectre de la lumière solaire et bénéficie de sa propre jonction électrique. Ce qui accroît le rendement des cellules et rend ces cellules multijonctions particulièrement attrayantes.

A partir des cellules a-Si/nc-Si, TEL Solar a fabriqué des modules atteignant un rendement de 12,3%. De même, les cellules GaAs d’Alta Devices atteignent un rendement de 28,8%. Mais ses cellules multijonctions GalnP/GaAs atteignent 31,6% de rendement.

Le record appartient aux cellules multijonctions GalnP/GaAs/InGaAs de Sharp avec un rendement de 37,9%. Le panneau Sharp avec 32 cellules GalnP/GaAs/InGaAs affiche un rendement de 31,2%.

Le CIGS est prometteur

De son côté, le CIGS parvient à 17,9% de rendement de cellule chez l’allemand Avancis, ancienne filiale de Saint-Gobain, achetée par le chinois CNBM en 2014, 22,5% chez le japonais Solar Frontier et à 15,7% avec une technologie un peu différente chez Miasole.

Le centre de recherche allemand ZSW de Stuttgart développe des cellules dont le rendement atteint 22%. Il pense pouvoir atteindre un rendement de 18% pour les modules, avec des prix extrêmement bas de 25 c€/Wc pour des fabrications de 500 MW à 1 GW par an.

Les panneaux CIGS de Solar Frontier sur substrat de verre atteignent un rendement de 22,3%. Parmi les solutions à couche mince, le CIGS et le silicium amorphe a-Si sont plus largement disponibles dans des produits déjà commercialisés.

Lors du dernier salon Glasstec à Dusseldorf, Avancis a présenté un panneau photovoltaïque CIGS, partiellement transparent. Son partenariat avec le français SunPartner devrait multiplier les solutions de PV transparent. ©P. Poggi

Des cellules photovoltaïques imprimées

L’un des développements potentiellement les plus porteurs est celui de l’impression des cellules photovoltaïques. Il s’agit de cellules à colorant (DSsC pour Dye Sensitized solar Cell), dont le fonctionnement est proche de celui de la photosynthèse.

Sharp, le grand spécialiste de cet exercice, atteint des rendements variant de 8,8 à 11,9% pour ces cellules Dye. Les cellules sont sérigraphiées sur leur support de verre ou de polymère ou imprimées avec des imprimantes à jet d’encre.

Ces fabrications consomment très peu d’énergie. Avec ses cellules organiques, Toshiba atteint des rendements comparables, allant de 9 à 11 %. Les cellules Dye ou organiques peuvent être fabriquées dans diverses couleurs.

Le rendement chute quand la température augmente

Toutes les matières photovoltaïques voient leur rendement baisser lorsque leur température monte. Certaines plus vite que d’autres. Par exemple, le module Honey Plus TSM-290 DD05A.08 de Trina Solar est l’un des plus performants sur le marché.

Ce module est composé de 60 cellules en silicium monocristallin, affiche un rendement nominal de 17,7 % et une puissance nominale de 290 Wc quand la température des cellules est de 25°C. Il perd 0,39%/K en rendement lorsque la température s’élève au-delà de 25°C.

Pour une température de cellules de 60°C, facilement atteinte les jours ensoleillés, le rendement n’est plus que de 4%. Les modules PowerMax 3.5 en CIGS d’Avancis affichent le même coefficient de baisse de rendement de 0,39%/K. Le panneaux GreenTriplex PM245P00 de BenQ Solar possède un coefficient de baisse de rendement de 0,44%/K. D’une manière générale, selon les produits, ce coefficient est compris entre 0,31 et 0,44%/K.

Voici le panneau souple HeliaFilm de l'allemand Heliatek, avec sa boîte de jonction. doc. Heliatek

Des panneaux souples et transparents

Heliatek, le fabricant de panneaux à couches minces de Dresden en Allemagne produit des panneaux d’une durée de vie de 25 ans au moins, en rouleaux de 0,3 à 2 m de longueur. Voire plus de 2 m sur demande.

Les cellules sont composées de deux couches superposées. Les panneaux atteignent un rendement de 8%. Un taux de transparence jusqu’à 30% est possible, avec un rendement de 6%. Les panneaux Heliafilm sont clairement conçus pour des applications en BIPV ou Building-Integrated Photovoltaics (PV intégré au bâtiment).

D’autres industriels, dont Avancis, SunPartner et G2E développent des solutions du même type. Dans notre prochain article, nous ferons l’inventaire des « belles » solutions disponibles pour le photovoltaïque en façade.