Le passage à des cellules solaires en silicium modernes pourrait faire baisser jusqu’à 90 % le coût de l’alimentation des satellites, sur la base des performances en début de vie (BOL), selon une analyse menée par l’université de Surrey. Ce passage au silicium pourrait aussi réduire de moitié le poids des cellules solaires nécessaires à bord de l’engin spatial, libérant de la masse pour le carburant ou les instruments, ou réduisant les coûts de lancement.
Le silicium a été le matériau de référence de l’industrie pour les cellules solaires des engins spatiaux de 1958 à 1977, date à laquelle les cellules à l’arséniure de gallium l’ont supplanté, offrant un meilleur rendement et une meilleure résistance aux rayonnements. Les cellules à triple jonction, fabriquées à partir de gallium, d’indium et de germanium, font référence depuis.
Aujourd’hui, les cellules à hétérostructure de silicium détiennent un record de rendement de 27,8 % et les cellules tandem pérovskite/silicium un record de 34,85 %.
Dans une analyse publiée dans Acta Astronautica, des chercheurs de Surrey montrent que les cellules spatiales à triple jonction coûtent entre 250 et 450 dollars par watt, alors que le silicium coûte quelques dizaines de cents. En novembre 2025, les trois principales architectures en silicium (PERC, TOPCon et hétérojonction) atteignaient en moyenne 0,275, 0,285 et 0,39 dollar par watt respectivement.
Les matières premières sont elles aussi moins chères : le silicium coûte quelques dollars le kilogramme, tandis que le gallium et le germanium coûtent des milliers de dollars le kilogramme.
Pour rendre ces éléments plus tangibles en usage réel, l’équipe de Surrey a modélisé deux formats : une face d’un CubeSat 3U (un satellite à peu près de la taille d’un gros pain) et un Micro Sat construit par Surrey Satellite Technology Limited (SSTL), qui cofinance le doctorat de l’auteur principal et a fourni les données de l’engin spatial utilisées dans l’étude. En incluant le verre qualifié pour l’espace qui protège les cellules, l’économie atteignait 85 à 90 %.
Dans un générateur solaire en silicium, c’est le verre de couverture, et non la cellule, qui domine le coût.
Tommy Richards, auteur principal et chercheur de troisième cycle à l’Advanced Technology Institute de l’université de Surrey, a déclaré :
« Ce qui est intéressant pour nous, ce n’est pas que le silicium soit moins cher, mais où se situe le coût restant. Une fois que l’on place des cellules en silicium derrière un verre qualifié pour l’espace, c’est le verre que l’on paie.
« Cela change ce sur quoi nous devrions travailler. Si nous parvenons à rendre la cellule elle-même plus résistante aux rayonnements, nous pouvons utiliser un verre ou des substrats plus fins, et nous réduisons le coût et le poids en même temps. Cela reformule le problème : d’une compétition entre matériaux, il devient un problème d’ingénierie que nous savons attaquer. »
Dans cette analyse, les cellules à hétérojonction de silicium offraient environ deux fois la puissance massique de l’option triple jonction, soit environ 920 à 1 000 watts par kilogramme contre 455 à 505. Autrement dit, une mission pourrait embarquer la moitié de la masse de cellules solaires pour la même puissance produite.
Le silicium produit effectivement moins de puissance pour une surface donnée, et l’analyse chiffre cette réduction à environ 28 % au début d’une mission. Mais lorsque les chercheurs ont dimensionné les panneaux pour égaler la production des triple jonctions, en incluant le coût de la structure supplémentaire des panneaux, le silicium restait plusieurs fois moins cher en performances de début de vie.
Le silicium n’est toutefois pas le meilleur sur tous les critères. Pour une épaisseur de verre de couverture donnée, le silicium est environ 2,6 fois moins résistant aux rayonnements que les cellules à triple jonction. Ces dernières devraient aussi conserver une plus grande part de leurs performances après cinq ans en orbite, ce qui souligne l’importance d’améliorer la résistance aux rayonnements des dispositifs en silicium.
Le nombre d’objets lancés chaque année est passé d’environ 120 en 2010 à plus de 2 800 en 2024. Un satellite moyen a besoin de près d’un kilowatt. Les centrales solaires spatiales proposées, qui collecteraient la lumière du soleil en orbite et l’achemineraient vers la Terre sous forme de micro-ondes, pourraient nécessiter des structures de plusieurs kilomètres de large et fournir des gigawatts. L’analyse soutient qu’une demande de cette ampleur absorberait tout le marché de la triple jonction, mais ne représenterait qu’une part infime de la production de silicium.
Le professeur Ravi Silva CBE FREng, directeur de l’Advanced Technology Institute de l’université de Surrey, a déclaré :
« Nous devons vraiment commencer à considérer les satellites comme une infrastructure. Les prévisions météorologiques, la navigation, le haut débit, le suivi des cultures et la réponse aux catastrophes passent tous par eux. Tout ce qui rend un satellite moins cher à construire et plus léger à lancer élargit le cercle de ceux qui peuvent utiliser cette infrastructure, y compris les petites nations, les universités et les jeunes entreprises, et pas seulement les plus grandes agences et les plus grands opérateurs.
« Et si nous voulons vraiment collecter l’énergie solaire en orbite et la renvoyer sur Terre, nous aurons besoin de cellules solaires à une échelle que l’industrie spatiale spécialisée ne peut tout simplement pas produire. Le silicium est le seul matériau dont les usines tournent déjà à cette échelle. La technologie présente sur les toits et dans les fermes solaires pourrait bien être celle qui alimentera la prochaine génération d’engins spatiaux. »
L’analyse identifie la lumière ultraviolette (UV) comme le risque le moins bien compris pour les dispositifs nus. Les architectures modernes en silicium se dégradent sous exposition aux UV, et les cellules à hétérojonction, les plus performantes en rendement, se dégradent davantage que les cellules PERC. Presque tous les essais menés jusqu’ici ont utilisé des UVA, les ultraviolets de plus faible énergie qui atteignent la surface terrestre, plutôt que les ultraviolets sous vide, plus énergétiques, que l’on trouve dans l’espace.
Le Dr Jae Sung Yun, auteur correspondant de l’Advanced Technology Institute de l’université de Surrey, a déclaré :
« Si nous voulons collecter l’énergie solaire en orbite et la renvoyer vers la Terre, il nous faudra des cellules solaires au kilomètre carré. Le silicium est le seul matériau que nous savons déjà produire à cette échelle, et c’est celui dont nous pouvons nous permettre de produire de telles quantités. »
L’analyse expose les domaines qui, selon les auteurs, demandent une attention particulière : tester les cellules modernes sous les ultraviolets de haute énergie présents dans l’espace, les tester face aux variations de température d’une orbite réelle et les tester sous rayonnement pendant qu’elles produisent de l’énergie. Elle revient aussi sur des idées plus anciennes qui méritent un second regard, notamment le dopage au lithium, une approche signalée pour la première fois en 1966 qui permettait aux cellules de réparer elles-mêmes leurs dommages dus aux rayonnements, mais qui a ensuite été mise de côté.
Article : The return of silicon solar cells to space – Journal : Acta Astronautica – DOI : Lien vers l’étude
Source : Surrey U
