Le photovoltaïque imprimé  : enjeux et problématiques

Cette technologie, encore en développement, combine des avantages en matière de coût, de flexibilité et de respect de l'environnement, pour des rendements en laboratoire presque équivalents à l’existant. Mais qu'est-ce qui rend ces cellules si spéciales, et quels sont les défis qui restent à surmonter pour leur adoption à grande échelle ?  

1. Les enjeux de la fabrication d’une cellule solaire
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   Les solutions actuelles pour la réalisation de cellules photovoltaïques consistent en l’empilement de différentes couches de matériaux qui constituent les électrodes, les porteurs de charges et le semi-conducteur qui réagit avec la lumière, ainsi que d’autres couches additionnelles permettant de stabiliser l’ensemble.  
   
   Chacune de ses couches doit être compatible tant chimiquement que physiquement avec les couches voisines. Certaines doivent par ailleurs présenter des propriétés optiques particulières ; l'électrode de surface doit être transparente, ce qui, en termes scientifiques, est désigné par la transmittance, c'est-à-dire la capacité d'un matériau à permettre le passage de la lumière. Celle-ci doit idéalement être de 100% mais en pratique pour les électrodes de surface des cellules solaires actuelles elle est d’environ 85 %. Seul le graphène, en tant que matériau conducteur, possède une transmittance supérieure à 90 %. Vous voyez le casse-tête ? Ajoutons maintenant une contrainte de coût pour que la technologie puisse sortir réellement d’un laboratoire, à savoir un coût moyen au m² inférieur à 100 € soit environ 30 centimes par watt produit.  
   
   C’est sur ces aspects que GRAPHENATON Technologies SA (GTSA), via son laboratoire GRAPHENATON Labs, conduit ses programmes de recherche pour élaborer sa cellule solaire, suffisamment efficace mais environnementalement responsable tout en étant économiquement viable.  
   
   Les défis relevés concernent toutes les couches et plus spécifiquement les électrodes et le matériau semi-conducteur. Sur les premières, GTSA travaille sur l’utilisation notamment du graphène ; sur le second GTSA a engagé un programme de recherche sur les pérovskites.  

Deux contraintes se sont également imposées aux équipes de R&D : tout d’abord travailler en environnement ambiant afin de garantir demain des possibilités industrielles à prix raisonnables ; ensuite imprimer l’intégralité de la cellule dans un processus unique pour envisager simplement des volumes importants, et de fait définir les encres et les supports les plus adaptés.

2. Les pérovskites d'étain : une alternative prometteuse aux pérovskites de plomb
   
   Les pérovskites, en particulier celles à base de plomb, ont attiré l'attention des chercheurs en raison de leur efficacité remarquable et leur rendement en laboratoire proche de celui du silicium (27,6 % d’efficacité pour le silicium contre 26,1 % pour les pérovskites) ^[1]. Cependant, la toxicité du plomb pose des problèmes environnementaux et de santé sur le long terme. GTSA offre une alternative moins toxique, les pérovskites d’étain.  
   
   Les cellules solaires à base de pérovskite d'étain utilisent une structure connue de pérovskite en halogénures métallique mais où l'étain, bien moins toxique, remplace le plomb traditionnellement utilisé ^[2]. Cette couche active présente des propriétés favorables pour la conversion de la lumière en électricité avec un impact écologique moindre. Elle peut par ailleurs être réalisée à partir d’une « encre » et peut être ajustée à façon pour s’adapter à différents matériaux ^[3][4][5]. Les premiers prototypes réalisés permettent de s’assurer de leur faisabilité technique avec des matériaux à bas coût.

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Figure 1 : Prototype GTSA de cellule solaire imprimée en pérovskite d'étain 2 cm x 2 cm (gauche) -

Réponse en courant du protytpe de cellule sous lumière et dans l’obscurité (droite)

3. Des techniques d'impression innovantes …
   
   Ce qui distingue vraiment les cellules solaires à base de pérovskite conçues par GTSA, c'est leur méthode de fabrication. Contrairement aux cellules solaires traditionnelles, ces cellules peuvent être imprimées sur des substrats polymériques flexibles.  

On élabore ainsi des « encres fonctionnelles » contenant l’ensemble des précurseurs, sorte de briques élémentaires, qui formeront la pérovskite. Une fois déposés par impression, les différents composants s’auto-agencent pour former une structure cristalline mince capable de réagir avec la lumière.

Les techniques d’impression comme le jet d'encre permettent de déposer ces couches minces avec précision et efficacité. Elles sont par ailleurs moins couteuses que les méthodes conventionnelles ; on ne consomme en encres que ce qui est nécessaire, et les procédés de recuit se font à des températures bien plus basses que les méthodes conventionnelles soit à 120 °C ou moins contre plus de 1’ 000 °C pour la purification du silicium. On évite ainsi des procédés de traitements des déchets coûteux, on minimise des surconsommations d’énergie lors de leur fabrication, tout en s’affranchissant d’un environnement de production très contraint en salles blanches.

Ces technologies d’impression permettraient également de réaliser des films s’affranchissant des dimensions usuelles des panneaux (1,65 m²/60 cellules, 2 m²/70 cellules) pour des usages nouveaux.  

4 …  Des défis prêts à être relevés
Il reste cependant de nombreux défis à surmonter.  

Tout d’abord sur la couche active elle-même. Les pérovskites, en particulier d'étain, sont plus sensibles à l'humidité et à l'oxygène que ce soit pendant les étapes de fabrication ou bien sur le long terme pendant leur utilisation, ce qui peut entraîner une dégradation rapide des performances. Des efforts de recherche sont en cours pour développer de nouvelles encres fonctionnelles qui ont une parfaite inter compatibilité et une grande stabilité pour être imprimées dans un environnement standard, aspects sur lesquels se penche activement GTSA.  

Par ailleurs, pour être pleinement fonctionnelles et capter un maximum de lumière, les couches situées entre la partie photosensible et la surface doivent être non seulement conductrices mais aussi transparentes. Les matériaux de choix pour les électrodes de surface transparentes sont à l’heure actuelle des couches d’ITO (oxyde d’étain dopé à l’indium), qui font appel à des terres rares. Outre le manque de flexibilité de ces couches, l’utilisation de ces terres rares posent des problèmes de souveraineté (90% des réserves sont détenues par la Chine, le Vietnam, le Brésil et la Russie et plus spécifiquement pour l’indium, la chine produit à elle-seule les 2/3 de la consommation mondiale ^[6][7]). C’est pourquoi GTSA souhaite se tourner vers des électrodes en graphène. Fait d’atomes de carbone agencés dans une maille hexagonale, ce matériau dont la transparence et la conductivité égale ou surpasse l’ITO est un parfait candidat. Dans l’application envisagée, on se sert ainsi d’un film polymérique sur lequel on a fait croitre sous vide et de manière contrôlée un fin feuillet de graphène, qui est par la suite utilisé comme substrat d’impression. Cependant, l’enjeu principal réside dans sa viabilité économique puisqu’à l’heure actuelle son prix est l’ordre de 5 000 €/m². C’est pourquoi, pour les électrodes de surfaces, GTSA étudie également la possibilité d’utiliser des polymères intégrant des nanotubes de carbone ou des nanofils métalliques. Mais le graphène peut aussi être utilisé sous forme d’une encre. Il est alors opaque mais peut tout de même être utilisé comme électrode de fond (l’électrode situé à l’arrière de la cellule) où on tire parti de certaines de ses propriétés comme son excellente conductivité.  

5. Perspectives

Les cellules solaires imprimées en environnement ambiant à base de pérovskite d'étain représentent une avancée importante dans le domaine des cellules photovoltaïques en s’affranchissant du plomb. Leur potentiel pour offrir une alternative moins toxique, flexible et économique est avéré.  

GTSA a engagé des programmes de recherche au sein de sa filiale R&D GRAPHENATON Labs installée à l’Université Paris Cité qui à ce jour, s’ils permettent de valider les hypothèses scientifiques retenues, ne délivrent pas des performances énergétiques à même de rivaliser avec les solutions existantes. Quelques laboratoires dans le monde travaillent sur des problématiques similaires, et les résultats progressent rapidement.  

GTSA considère qu’elle devrait pouvoir disposer de cellules photovoltaïques imprimées sur une base préindustrielle en 2025, notamment dans le respect des contraintes économiques.

Les applications commerciales de ces films de cellules photovoltaïque sont immenses et pourraient constituer une révolution dans la production d’énergie photovoltaïque à grande échelle.