Sebastian Bonilla, University of Oxford
La vue des panneaux solaires installés sur les toits et des grandes fermes énergétiques est devenue monnaie courante dans de nombreuses régions du monde. Même dans le Royaume-Uni gris et pluvieux, l’énergie solaire devient un acteur majeur de la production d’électricité.
Cette montée en puissance de l’énergie solaire est alimentée par deux évolutions majeures. Premièrement, les scientifiques, les ingénieurs et les industriels apprennent à fabriquer des panneaux solaires par milliards. Chaque étape de la fabrication est méticuleusement optimisée pour les produire à un coût très faible. La seconde, et la plus importante, est l’augmentation constante de l’efficacité de la conversion d’énergie des panneaux – une mesure de la quantité de lumière solaire qui peut être transformée en électricité.
Plus l’efficacité des panneaux solaires est élevée, moins l’électricité est chère. Cela peut vous amener à vous poser la question suivante : quel est le degré d’efficacité de l’énergie solaire ? Et cela se traduira-t-il par une diminution de nos factures d’énergie ?
Les panneaux solaires actuellement disponibles dans le commerce convertissent environ 20 à 22 % de la lumière du soleil en énergie électrique. Cependant, de nouvelles recherches publiées dans Nature ont montré que les futurs panneaux solaires pourraient atteindre un rendement de 34 % en exploitant une nouvelle technologie appelée cellules solaires en tandem. La recherche démontre une efficacité record de conversion de l’énergie pour les cellules solaires en tandem.
Qu’est-ce qu’une cellule solaire en tandem ?
Les cellules solaires traditionnelles sont fabriquées à partir d’un seul matériau pour absorber la lumière du soleil. Actuellement, presque tous les panneaux solaires sont fabriqués à partir de silicium, le même matériau qui se trouve au cœur des micropuces. Bien que le silicium soit un matériau mature et fiable, son efficacité est limitée à environ 29 %.
Pour surmonter cette limite, les scientifiques se sont tournés vers les cellules solaires en tandem, qui empilent deux matériaux solaires l’un sur l’autre afin de capter une plus grande partie de l’énergie solaire.
Dans le nouvel article de Nature, une équipe de chercheurs du géant de l’énergie LONGi a présenté une nouvelle cellule solaire tandem qui combine des matériaux en silicium et en pérovskite. Grâce à une meilleure récolte de la lumière solaire, le nouveau tandem pérovskite-silicium a atteint un rendement record de 33,89 %.
Les matériaux solaires pérovskites, découverts il y a moins de vingt ans, sont devenus le complément idéal de la technologie du silicium. Leur secret réside dans la possibilité d’ajuster l’absorption de la lumière. Les matériaux pérovskites peuvent capter la lumière bleue à haute énergie plus efficacement que le silicium.
De cette manière, les pertes d’énergie sont évitées et l’efficacité totale du tandem augmente. D’autres matériaux, appelés semi-conducteurs III-V, ont également été utilisés dans les cellules tandem et ont permis d’obtenir des rendements plus élevés. Le problème est qu’ils sont difficiles à produire et coûteux, de sorte que seules de petites cellules solaires peuvent être fabriquées en combinaison avec la lumière focalisée.
La communauté scientifique consacre des efforts considérables aux cellules solaires en pérovskite. Elles ont connu un rythme de développement phénoménal, avec des rendements (pour une seule cellule en laboratoire) qui sont passés de 14 % à 26 % en seulement 10 ans. Ces progrès ont permis leur intégration dans des cellules solaires tandem à très haut rendement, démontrant ainsi la voie à suivre pour porter la technologie photovoltaïque aux trillions de watts dont le monde a besoin pour décarboner sa production d’énergie.
Le coût de l’électricité solaire
Les nouvelles cellules tandem, qui battent des records, peuvent capter 60 % d’énergie solaire supplémentaire. Cela signifie qu’il faut moins de panneaux pour produire la même énergie, ce qui réduit les coûts d’installation et la surface de terrain (ou de toit) nécessaire pour les fermes solaires.
Cela signifie également que les exploitants de centrales électriques produiront de l’énergie solaire en réalisant des bénéfices plus importants. Toutefois, compte tenu de la manière dont les prix de l’électricité sont fixés au Royaume-Uni, les consommateurs risquent de ne jamais remarquer de différence dans leur facture d’électricité. La vraie différence apparaît lorsque l’on considère les installations solaires sur les toits, où la surface est limitée et où l’espace doit être exploité de manière efficace.
Le prix de l’énergie solaire en toiture est calculé sur la base de deux mesures clés. D’une part, le coût total de l’installation des panneaux solaires sur votre toit et, d’autre part, la quantité d’électricité qu’ils produiront au cours de leurs 25 années de fonctionnement. Si le coût d’installation est facile à obtenir, les revenus tirés de la production d’électricité solaire à domicile sont un peu plus nuancés. Vous pouvez économiser de l’argent en consommant moins d’énergie du réseau, en particulier pendant les périodes où elle est coûteuse, et vous pouvez également revendre une partie de votre électricité excédentaire au réseau.
Cependant, les opérateurs de réseau vous paieront un prix très faible pour cette électricité, il est donc parfois préférable d’utiliser une batterie et de stocker l’énergie pour pouvoir l’utiliser la nuit. En me basant sur des considérations moyennes pour un ménage britannique type, j’ai calculé les économies que les consommateurs pourraient réaliser grâce à l’électricité solaire en toiture, en fonction de l’efficacité des panneaux.
Si nous pouvons améliorer l’efficacité des panneaux de 22 % à 34 % sans augmenter le coût de l’installation, les économies sur les factures d’électricité passeront de 558£ְ/an à 709£/an. Une augmentation de 20 % des économies qui rendrait les toits solaires extrêmement attrayants, même dans une Grande-Bretagne grise et nuageuse.
Quand pourrons-nous acheter ces nouveaux panneaux solaires ?
Alors que la recherche se poursuit, des efforts considérables sont déployés pour développer cette technologie et garantir sa durabilité à long terme. Les cellules tandem qui battent les records sont fabriquées en laboratoire et sont plus petites qu’un timbre-poste. La transposition d’une telle performance sur des surfaces d’un mètre carré reste un défi de taille.
Pourtant, nous progressons. Au début du mois, Oxford PV, un fabricant de panneaux solaires à la pointe de la technologie de la pérovskite, a annoncé la première vente de ses nouveaux panneaux solaires tandem. Ils ont réussi à relever le défi de l’intégration de deux matériaux solaires et à fabriquer des panneaux durables et fiables. Bien qu’ils soient encore loin d’un rendement de 34 %, leurs travaux ouvrent une voie prometteuse pour la prochaine génération de cellules solaires.
Une autre considération est la durabilité des matériaux utilisés dans les panneaux solaires tandem. L’extraction et le traitement de certains minéraux utilisés dans les panneaux solaires peuvent être extrêmement énergivores. Outre le silicium, les cellules solaires en pérovskite ont besoin de plomb, de carbone, d’iode et de brome pour fonctionner correctement. La connexion de la pérovskite et du silicium nécessite également des matériaux rares contenant un élément appelé indium, de sorte que de nombreuses recherches sont encore nécessaires pour résoudre ces difficultés.
Malgré les difficultés, la communauté scientifique et industrielle reste déterminée à mettre au point des dispositifs solaires en tandem qui pourraient être intégrés dans presque n’importe quoi : voitures, bâtiments et avions.
Les récents développements en matière de cellules tandem pérovskite-silicium à haut rendement laissent entrevoir un avenir radieux pour l’énergie solaire, qui continuera à jouer un rôle plus important dans la transition mondiale vers les énergies renouvelables.
Sebastian Bonilla, Associate Professor of Materials, University of Oxford
Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article original.
