La Science dans l’actualité

par Emily Kerr
chiffres par Abagail Burrus

Le Soleil émet suffisamment d’énergie sur Terre chaque seconde pour satisfaire toute la demande d’énergie humaine pendant plus de deux heures. Étant donné qu’elle est facilement disponible et renouvelable, l’énergie solaire est une source d’énergie attrayante. Cependant, en 2018, moins de deux pour cent de l’énergie mondiale provenait du solaire. Historiquement, la récupération de l’énergie solaire a été coûteuse et relativement inefficace. Même cette maigre utilisation de l’énergie solaire, cependant, est une amélioration par rapport aux deux décennies précédentes, car la quantité d’énergie collectée à partir de l’énergie solaire dans le monde a été multipliée par plus de 300 entre 2000 et 2019. Les nouvelles avancées technologiques au cours des vingt dernières années ont entraîné cette dépendance accrue à l’énergie solaire en réduisant les coûts, et les nouveaux développements technologiques promettent d’augmenter cette utilisation de l’énergie solaire en réduisant davantage les coûts et en augmentant l’efficacité des panneaux solaires.

Cellules solaires: Coûts, défis et conception

Au cours des 20 dernières années, les coûts associés aux cellules solaires, les structures capables de convertir l’énergie lumineuse en électricité, n’ont cessé de diminuer. Le National Renewable Energy Laboratory, un laboratoire du gouvernement américain qui étudie la technologie des cellules solaires, estime les contributeurs à l’accessibilité croissante de l’énergie solaire. Ils estiment que les coûts fixes, les coûts du matériel physique des cellules solaires et les coûts indirects, qui comprennent la main-d’œuvre ou les coûts d’obtention des permis gouvernementaux requis, sont à peu près égaux (figure 1). Les coûts indirects ont diminué parce qu’il y a plus de consommateurs potentiels et plus d’experts en installation de nouvelles cellules solaires, de sorte que les entreprises peuvent produire des cellules solaires en vrac et les installer facilement. Les coûts durs représentent moins de la moitié de ce qu’ils étaient en l’an 2000, principalement en raison de la diminution des coûts des matériaux et de la capacité accrue des cellules à capter la lumière. L’ingénierie de cellules solaires plus rentables et plus efficaces a nécessité un examen attentif de la physique impliquée dans la capture solaire en plus d’une conception innovante.

Comme les cellules solaires sont utilisées pour convertir la lumière en électricité, elles doivent être composées d’un matériau capable de capter l’énergie de la lumière. Ce matériau peut être pris en sandwich entre deux plaques métalliques qui transportent l’électricité captée par l’énergie lumineuse là où elle est nécessaire, comme les lumières d’une maison ou les machines d’une usine (Figure 2). Choisir le bon matériau pour capter la lumière implique de mesurer la différence entre deux niveaux d’énergie appelés bande de valence et bande de conduction. La bande de valence à énergie inférieure est remplie de nombreuses petites particules chargées négativement appelées électrons, mais la bande de conduction à énergie supérieure est principalement vide. Lorsque les électrons sont frappés par des particules de lumière, appelées photons, ils peuvent absorber suffisamment d’énergie pour passer de la bande de conduction à basse énergie à la bande de valence à haute énergie. Une fois dans la bande de valence, l’énergie supplémentaire dans l’électron peut être récupérée sous forme d’électricité. C’est comme si les électrons étaient assis au bas d’une colline (la bande de conduction) et étaient frappés par un photon qui leur donnait l’énergie nécessaire pour sauter vers le haut (la bande de cantonnière).

La quantité d’énergie nécessaire aux électrons pour sauter dans la bande de valence dépend du type de matériau. Essentiellement, la taille de la colline métaphorique varie en fonction des propriétés d’un matériau donné. La taille de cet écart d’énergie est importante car elle a un impact sur l’efficacité avec laquelle les cellules solaires convertissent la lumière en électricité. Plus précisément, si les photons frappent les électrons avec moins d’énergie que ce dont l’électron a besoin pour passer de la bande de valence à la bande de conduction, aucune énergie de la lumière n’est capturée. Alternativement, Si la lumière a plus d’énergie que nécessaire pour surmonter cet écart, l’électron capture l’énergie précise dont il a besoin et gaspille le reste. Ces deux scénarios entraînent des inefficacités dans la récolte solaire, ce qui rend le choix du matériau de la cellule solaire important.

Historiquement, le silicium a été le matériau le plus populaire pour les cellules solaires (figure 2). Une des raisons de cette popularité réside dans la taille de l’écart entre les bandes de conduction et de valence du silicium, car l’énergie de la plupart des particules légères est très proche de l’énergie nécessaire aux électrons du silicium pour sauter l’écart d’énergie. Théoriquement, environ 32% de l’énergie lumineuse pourrait être convertie en énergie électrique avec une cellule solaire au silicium. Cela peut ne pas sembler beaucoup, mais il est nettement plus efficace que la plupart des autres matériaux. De plus, le silicium est également peu coûteux. C’est l’un des éléments les plus abondants sur terre et son coût de raffinage a considérablement diminué depuis 1980. Les industries des cellules solaires et de l’électronique ont entraîné la diminution des coûts de purification car elles ont appris de meilleures techniques de purification en vrac pour stimuler la demande de cellules solaires et d’électronique grand public.

En plus de réduire les coûts des matériaux, des astuces d’ingénierie astucieuses rapprochent l’efficacité des cellules solaires au silicium de leur maximum théorique. Pour que les photons soient convertis en énergie, ils doivent d’abord entrer en collision avec un électron. Une astuce pour augmenter la probabilité d’une collision photon / électron consiste à modeler le silicium dans les cellules solaires sous des formes pyramidales microscopiques. Lorsque la lumière est absorbée dans une pyramide, elle se déplace plus loin, augmentant la probabilité que la lumière entre en collision avec les électrons dans le silicium avant de s’échapper de la cellule.

Dans une tactique similaire, les chimistes et les scientifiques des matériaux ont conçu des revêtements antireflet à placer à l’avant des cellules solaires pour empêcher la lumière utile d’être réfléchie dans l’espace sans jamais heurter un électron dans la cellule solaire. De même, mettre un réflecteur à l’arrière de la cellule solaire permet également de récolter plus de lumière. La lumière qui atteint la cellule solaire et la fait tout le chemin vers l’arrière sans frapper un électron rebondit vers l’avant de la cellule, donnant à la cellule une autre chance de collecter la lumière.

Actuellement, le coût des cellules solaires à base de silicium continue de diminuer et, malgré les prédictions contraires, le coût du silicium lui-même continue de diminuer. Les cellules solaires au silicium resteront probablement populaires au cours des prochaines années. Des alternatives aux cellules solaires au silicium ont été développées mais ne sont pas assez avancées pour être commercialement viables.

L’avenir des cellules solaires

Pour dépasser les cellules solaires actuelles, une nouvelle conception devrait pouvoir capter plus de lumière, transformer plus efficacement l’énergie lumineuse en électricité et / ou être moins coûteuse à construire que les conceptions actuelles. Les producteurs et les consommateurs d’énergie sont plus susceptibles d’adopter l’énergie solaire si l’énergie qu’elle produit est également ou moins chère que d’autres formes d’électricité, souvent non renouvelables, de sorte que toute amélioration des conceptions actuelles de cellules solaires doit réduire les coûts globaux pour être largement utilisée.

La première option, l’ajout de matériel permettant aux cellules solaires de capter plus de lumière, ne nécessite pas d’abandonner les conceptions actuelles de cellules solaires. L’électronique peut être installée avec la cellule solaire qui permet à la cellule de suivre le soleil lorsqu’elle se déplace dans le ciel diurne. Si la cellule solaire pointe toujours vers le soleil, elle sera frappée par beaucoup plus de photons que si elle ne pointait vers le soleil que vers midi. Actuellement, la conception d’appareils électroniques capables de suivre la position du soleil avec précision et cohérence pendant plusieurs décennies à un coût raisonnable est un défi permanent, mais l’innovation sur ce front se poursuit. Une alternative à la mise en mouvement de la cellule solaire elle-même consiste à utiliser des miroirs pour concentrer la lumière sur une cellule solaire plus petite et donc moins chère.

Une autre voie pour améliorer les performances des cellules solaires consiste à cibler leur efficacité afin qu’elles convertissent mieux l’énergie solaire en électricité. Les cellules solaires avec plus d’une couche de matériau de capture de la lumière peuvent capturer plus de photons que les cellules solaires avec une seule couche. Récemment, des cellules solaires testées en laboratoire à quatre couches peuvent capturer 46% de l’énergie lumineuse entrante qui les frappe. Ces cellules sont encore pour la plupart trop chères et difficiles à fabriquer pour un usage commercial, mais les recherches en cours pourraient un jour rendre possible la mise en œuvre de ces cellules super-efficaces.

L’alternative à l’amélioration de l’efficacité des cellules solaires consiste simplement à réduire leur coût. Même si le traitement du silicium est devenu moins cher au cours des dernières décennies, il contribue toujours de manière significative au coût d’installation des cellules solaires. En utilisant des cellules solaires plus minces, les coûts des matériaux diminuent. Ces “cellules solaires à couches minces” utilisent une couche de matériau pour récolter de l’énergie lumineuse de seulement 2 à 8 micromètres d’épaisseur, soit seulement environ 1% de ce qui est utilisé pour fabriquer une cellule solaire traditionnelle. Tout comme les cellules à couches multiples, les cellules solaires à couches minces sont un peu difficiles à fabriquer, ce qui limite leur application, mais des recherches sont en cours.

Dans l’immédiat, les cellules solaires au silicium devraient continuer à diminuer de coût et être installées en grand nombre. Aux États-Unis, ces baisses de coûts devraient augmenter l’énergie solaire produite d’au moins 700% d’ici 2050. Pendant ce temps, la recherche sur des conceptions alternatives pour des cellules solaires plus efficaces et moins coûteuses se poursuivra. Dans des années, nous verrons probablement apparaître des alternatives au silicium sur nos fermes solaires et nos toits, contribuant ainsi à fournir des sources d’énergie propres et renouvelables. Ces améliorations ont été et continueront d’être rendues possibles par l’augmentation de la fabrication en vrac de cellules solaires et de nouvelles technologies qui rendent les cellules moins chères et plus efficaces.

Emily Kerr, Étudiante diplômée en Chimie et Biologie Chimique.

Abagail Burrus est une doctorante en biologie Organismique et évolutive de troisième année qui étudie le développement des élaïophores.

Pour plus d’informations:

• Pour en savoir plus sur les cellules solaires à couches minces, consultez cet article de MIT News
• Pour plus d’informations sur la diminution des coûts des cellules solaires, consultez cet article de MIT News
• Pour une représentation graphique du fonctionnement des panneaux solaires, consultez cet article sur la composition et la science des panneaux solaires

Cet article fait partie de notre série SITN20, écrit pour célébrer le 20e anniversaire du SITN en commémorant les avancées scientifiques les plus notables des deux dernières décennies. Découvrez nos autres pièces SITN20 !