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Les cellules solaires organiques du CEA, alliées des objets connectés

Par Hervé Vaudoit, le 28 janvier 2021

Journaliste

Le laboratoire de Solenn Berson au Bourget-du-Lac, près de Chambéry

[parrainé] Une nouvelle génération de cellules solaires développée par le CEA produit assez d’énergie pour alimenter des objets connectés en intérieur de façon autonome, sans besoin de recharge. Avec un rendement inédit de 25% sous une faible luminosité.

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Associé naturellement – et souvent exclusivement – au nucléaire, le commissariat à l’Énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) s’intéresse depuis belle lurette aux autres sources d’énergie, à commencer par le solaire. Dans ce domaine, ses laboratoires de recherche figurent d’ailleurs parmi les plus performants et les plus prolifiques de la planète, avec à la clé de nombreuses avancées technologiques et autant de brevets à fort potentiel déposés chaque année.

 

60% de mieux qu’une cellule classique

Un de ses récents succès, à mettre à l’actif du Laboratoire d’innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (CEA Liten), c’est d’avoir réussi à mettre au point une cellule photovoltaïque organique (PVO) d’un rendement de 25% en faible luminosité. Selon Solenn Berson, qui dirige le laboratoire du CEA Liten dédié au photovoltaïque organique, cette performance améliore de 60% les rendements maximum obtenus dans les mêmes conditions d’éclairement avec des cellules classiques en silicium amorphe. « Comme celles que l’on trouve sur les calculatrices », précise la scientifique. Obtenue sous une lumière de 220 lux, équivalent à ce que l’on trouve dans un bureau normalement éclairé, cette performance a été enregistrée avec une cellule plaquée sur un support en verre, qui reste le matériau affichant le meilleur rapport transparence/coût.

Les cellules solaires organiques du CEA, alliées des objets connectés
Encore en phase de développement, les cellules photovoltaïque à hétérojonction de silicium de nouvelle génération affichent des rendements records. Ils pourraient permettre à l’industrie européenne de se refaire une place au soleil sur le marché mondial des énergies renouvelables. (Photo CEA)

Des essais ont également été réalisés avec des cellules montées sur une feuille souple de polytéréphtalate d’éthylène (ou PET), le matériau dont sont faites la plupart des bouteilles d’eau en plastique vendues en France. Le rendement chute alors de quelques points, « en raison de la plus faible transparence du PET », explique Solenn Berson, mais la flexibilité du support permet d’envisager d’autres applications que celles d’une cellule montée sur verre rigide.

 

De l’énergie pour l’internet des objets

Quels débouchés peut-on imaginer pour ces cellules photovoltaïques d’un nouveau genre ? Qu’elles deviennent un standard pour fournir de l’énergie aux appareils relevant de l’IoT – l’internet des objets, souvent utilisés sous lumière faible. « Elles peuvent alimenter et rendre autonomes en énergie les différents capteurs, de plus en plus nombreux, que l’on trouve à l’intérieur des bâtiments », avance la chercheuse. Qui évoque également « tous les appareils consommant peu d’électricité que l’on utilise en intérieur et qui doivent être rechargés régulièrement. » Ces appareils pourraient alors se passer de batterie, ce qui ferait baisser leur prix, leur poids et leurs dimensions. Car l’un des atouts des PVO, c’est d’être potentiellement peu chers à produire, « à condition que le marché se développe et qu’il y ait suffisamment de volumes pour faire mécaniquement baisser les coûts », souligne Solenn Berson.

Encore en phase de développement, les cellules PVO ont un autre atout par rapport au silicium, « elles consomment très peu de matière et peuvent être fabriquées selon un procédé d’impression à bas coût », poursuit la chercheuse. Quand elles sont montées sur un substrat en plastique souple, elles pèsent ainsi moins de 1 kg par m², contre 5 à 10 kg par m² pour les cellules classiques en silicium, selon le type de support utilisé.

 

Les Japonais à la pointe

Commercialiser dans les deux ans qui viennent des cellules PVO capables d’équiper ces capteurs et les rendre autonomes, c’est l’objectif du groupe chimique japonais Toyobo, qui a développé le matériau organique – dont la formulation reste confidentielle – à partir duquel cette technologie a été mise au point. Lancés en juin 2019, les travaux de développement qui ont permis d’obtenir ces résultats ont été conduits à l’Institut national de l’énergie solaire (Ines), basé à Chambéry (Savoie).

« Cela a consisté à trouver les meilleures formulations et à optimiser l’architecture de ces cellules pour améliorer leurs performances sous une faible luminosité », raconte Solenn Berson, précisant que le matériau organique de Toyobo « se dissout facilement sans employer de solvants toxiques », ce qui permet d’envisager une production à grande échelle sans contraintes environnementales susceptibles de faire grimper les coûts. ♦

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Avec les rendements obtenus par le CEA dans l’ambiance lumineuse d’un bureau, une cellule photovoltaïque organique de cette taille produit peu d’électricité, mais suffisamment pour alimenter un capteur ou un objet connecté de façon autonome. (Photo CEA)

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Bonus [pour les abonnés] – Des avancées technologiques qui pourraient remettre l’Europe dans la course –

  • Des avancées technologiques qui pourraient remettre l’Europe dans la course – À l’origine de l’immense majorité des technologies solaires en fonctionnement aux quatre coins du monde, la recherche européenne ! Elle reste, aujourd’hui encore, à la pointe de l’innovation dans ce domaine. Même si l’industrie a échoué ces 20 dernières années à convertir cette avance en réussites commerciales à l’échelle du globe, y compris sur son propre sol. La faute aux dirigeants européens qui, à l’aube des années 2000, au nom du libéralisme économique et de la sacro-sainte concurrence libre et non faussée, ont laissé les fabricants chinois envahir le marché intérieur avec des panneaux à bas coût. Très largement subventionnés par Pékin, soucieux d’imposer ses produits hors de ses frontières, les panneaux chinois détiennent aujourd’hui près de 90% de parts de marché dans le monde, même si sur le plan de l’innovation, l’Empire du Milieu reste un acteur de second plan.

Les dernières découvertes de la recherche européenne pourraient néanmoins remettre les compteurs à zéro, à l’occasion d’un possible « saut technologique » qui ringardiserait les dispositifs actuels utilisant le silicium. Début septembre 2020, en ouverture de la 36e European Photovoltaic Solar Energy Conference & Exhibition (EPSECE) organisée à Marseille, le physicien allemand Eicke Weber, qui co-dirige l’European Solar Manufacturing Council, structure de lobbying de l’industrie solaire européenne, s’est en effet montré particulièrement optimiste, assurant que les dix prochaines années seraient « le grand moment » du solaire en Europe, martelant qu’il était « temps d’investir dans le photovoltaïque. »

Le « saut technologique » auquel croient les européens viendra sans aucun doute des deux voies de recherche sur lesquelles les chercheurs du Vieux Continent disposent d’un vrai temps d’avance.

La première a été ouverte au Japon il y a un peu plus de 10 ans, avant d’être développée dans les labos espagnols (Valence), anglais (Oxford), suisses (Lausanne) et français (Grenoble et Chambéry) : ce sont les pérovskites. « Il s’agit d’un hybride qui combine des matériaux organiques et inorganiques, avec une bonne réponse quel que soit le niveau d’illumination et des rendements déjà un peu supérieurs au silicium », résume Solenn Berson. Après une décennie de recherche, les principaux obstacles à l’industrialisation de ce nouveau type de cellules solaires – sa vitesse de dégradation et sa sensibilité à l’eau – semblent en passe d’être levés. En mai dernier, des chercheurs australiens ont en effet annoncé la mise au point d’une parade contre la destruction des pérovskites par l’eau. Et trois mois plus tard, un fabricant anglais, Oxford PV, annonçait la commercialisation d’un premier panneau à pérovskite pour 2022.

La seconde de ces voies de recherche est au moins aussi prometteuse, ce sont les panneaux à hétérojonction de silicium. Développée en Europe au début des années 2000, principalement par le CEA-Liten en France et l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), en Suisse, cette technologie est déjà en phase d’industrialisation. Le groupe Enel, 1er producteur italien d’électricité, a en effet ouvert, en octobre 2019, une première ligne de production de panneaux dans son usine de Catane Sicile. Il s’agit pour l’heure de cellules à hétérojonction de silicium, c’est-à-dire alternant les couches de silicium monocristallin et de silicium amorphe. Elles affichent un rendement supérieur à 22.5%, contre 20 à 21% pour les technologies silicium conventionnelles, avec à la clé des coûts de production très compétitifs et des contraintes environnementales moindres, du fait de son procédé de fabrication à basse température. Fin août 2020, en améliorant son process de fabrication, le CEA-Liten est même parvenu à obtenir un rendement de 25% sur des cellules de ce type en conditions de production industrielle, à peine moins que les 25,2% obtenus en conditions expérimentales par les chercheurs de l’EPFL et du Centre suisse d’électronique et de microtechnique de Neuchâtel avec leur cellule « tandem », qui marie silicium et pérovskites.

Selon Florence Lambert, directrice générale du CEA-Liten, ces succès scientifiques sont le meilleur atout de l’Europe pour reprendre la main au niveau industriel, « parce que toutes les usines de panneaux photovoltaïques dans le monde vont devoir changer » pour produire les cellules de nouvelle génération, pronostiquait-elle lors de l’EPSECE de septembre dernier à Marseille.

 

  • Le solaire photovoltaïque de plus en plus compétitif par rapport aux énergies fossiles – Longtemps réputée la plus chère, l’électricité solaire est désormais plus compétitive que celle issue des sources fossiles (hydrocarbures, gaz ou charbon), selon le dernier rapport de l’Agence internationale de l’énergie (IEA) sur les coûts de production moyens de l’électricité en 2020, toutes sources confondues. C’est également la conclusion d’un rapport de Our World in Data, une émanation de l’université d’Oxford, publié en décembre 2020. Selon ce document, le coût de production de l’électricité photovoltaïque aurait été quasiment divisé par 10 entre 2009 et 2019, passant de 357 dollars par mégawatt/heure (MWh) produit à seulement 40 dollars. Cette évaluation tient évidemment compte de l’augmentation des capacités de production installées, qui font mécaniquement baisser les coûts de production, mais aussi du coût d’installation d’une ferme solaire, qui a sensiblement baissé dans l’intervalle. Sur la même période de 2009 à 2019, le prix moyen du MWh nucléaire serait passé de 123 à 155 dollars et celui du charbon serait resté stable : 109 dollars en 2019 contre 111 dix ans plus tôt. Seul l’éolien terrestre serait aujourd’hui plus compétitif que le photovoltaïque, à 41 dollars le MWh.

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