Alors que les dirigeants du monde entier se sont réunis à Glasgow pour discuter des politiques climatiques, il a inévitablement été question de la transition énergétique vers des sources renouvelables durables.
Les cellules solaires font incontestablement partie de la réponse. Comme le montre le graphique ci-dessous, la technologie photovoltaïque a fait de grands progrès en termes de réduction du coût par wattage et d'expansion de la capacité de production mondiale. En fait, les cellules solaires sont désormais financièrement viables sans subvention dans de nombreuses régions du monde. Les installations augmentent également rapidement chaque année, les cellules solaires devenant un élément majeur du mix énergétique mondial.
La technologie solaire de choix aujourd'hui est bien sûr le silicium à base de plaquettes. Comme le montre le graphique ci-dessous, cette technologie est depuis longtemps établie comme la technologie gagnante, limitant l'espace pour d'autres solutions, notamment les cellules solaires à couche mince. Compte tenu de cette domination, une question importante est de savoir si le silicium conservera à jamais sa pole position actuelle ou si d'autres options technologiques viendront compléter et/ou remplacer le silicium.
Dans la plupart des domaines technologiques, de nombreuses transitions technologiques ont lieu. Ces transitions restent en arrière-plan pendant des décennies, souvent avec des perspectives peu encourageantes, mais elles finissent par arriver à maturité et à remplacer l'ancienne garde. Il n'y a aucune raison fondamentale de penser que la technologie solaire sera différente, d'autant plus que le silicium tel qu'il est semble être arrivé à maturité, atteignant les limites de ses performances.
D'un autre côté, le silicium s'est révélé extrêmement résistant dans le domaine de l'électronique. Il ne cesse de surprendre et de progresser. Cependant, même dans ce domaine, de nombreux semi-conducteurs non silicium occupent désormais des rôles puissants, par exemple dans l'électronique haute fréquence ou haute puissance. En outre, malgré le cumul inimaginable d'heures de développement et de capital humain consacrées jusqu'à présent à l'électronique au silicium, la question de savoir si le silicium seul peut soutenir la feuille de route future reste ouverte, laissant un espace libre pour des alternatives telles que les matériaux 2D.
Chez TechBlick, nous avons organisé une conférence en direct (en ligne) explorant l'avenir des technologies photovoltaïques. Dans cette conférence, nous examinerons toutes les tendances clés dans le développement de nouvelles technologies photovoltaïques. Nous considérons ici les cellules solaires pérovskites, organiques, CIGS ainsi que les cellules solaires hybrides/tandems. Nous examinerons les méthodes de production émergentes, en considérant les derniers développements en matière d'impression ainsi que le traitement R2R basé sur la solution ou l'évaporation. Lors de cette conférence en ligne LIVE, vous entendrez les principaux acteurs qui font progresser ces technologies, notamment CubicPV, Armor, Heliatek, 3M, Epishine, Flisom AG, National Research Council Canda, VTT, Saule Technologies, Sunew, ITRI, Dracula Technologies, Brite Solar, Solaire, Lightricity, Brite Solar Evolar AB, Ubiquitous Energy, Lusoco, KIT, DuPont, Faunhofer IAP, Swansea University, QDSolar, Solaires, Brilliant Matters, etc. Dans cet article, nous vous fournissons des informations de base détaillées, décrivant le statut et les tendances de ces technologies solaires pour les applications extérieures et intérieures. Cela permettra de mettre en contexte l'importance des thèmes de cette conférence. Nous abordons ici le PV organique, le PV pérovskite et les techniques telles que le traitement R2R, l'impression à jet d'encre, etc.
Source : données tirées des graphiques du Fraunhofer ISE, adaptées par TechBlick. A gauche : production annuelle mondiale. A gauche : part des technologies PV à couche mince. Le reste de la part de marché revient au Si.
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Les pérovskites : la technologie gagnante du futur ?
Cela fait des décennies que l'on parle de la troisième génération de cellules photovoltaïques. Les deux principales catégories de technologies de cellules solaires étudiées étaient les cellules organiques et les cellules solaires à colorant (DSSC), qui ont ensuite évolué vers la technologie photovoltaïque qui s'améliore le plus rapidement : les cellules photovoltaïques en pérovskite.
Le graphique ci-dessous montre la trajectoire d'amélioration de plusieurs technologies photovoltaïques non silicium au niveau de la cellule championne. Toutes les lignes rouges font référence au photovoltaïque pérovskite, que ce soit sous forme autonome ou en tandem.
Depuis leur apparition sur le marché aux alentours de 2014, elles ont affiché une tendance à l'amélioration incroyablement rapide de l'EQE. Intéressante, cette tendance a encore de la marge, notamment pour les versions tandem (pérovskite/CIGS ou pérovskite/Si). La courbe abrupte illustrée ci-dessous a fait des pérovskites la coqueluche de l'industrie ainsi que des investisseurs du monde entier. Pendant quelques années, elles ont également volé la vedette aux OPV.
Lors de la conférence en direct (en ligne) de TechBlick, vous entendrez de nombreux acteurs clés qui font progresser l'art et la technologie de ce domaine vers l'industrialisation. Vous entendrez les témoignages de CubicPV, Saule Technologies, Solaire, VTT, Brite Solar, Evolar, et d'autres.
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Source : TechBlick. Adapté des données du NREL.
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Malgré les améliorations rapides au niveau des cellules, des obstacles technologiques à la commercialisation à grande échelle subsistent. L'un des problèmes est que la transition des petites cellules championnes vers des cellules et des modules plus grands s'accompagne d'une forte perte d'efficacité. Ce phénomène est illustré ci-dessous. Ces données datent de 2020/2021 et les améliorations sont constantes. Néanmoins, ce domaine doit encore être abordé. Lors de cette conférence, vous entendrez des représentants de CubicPV, qui font état de résultats record en matière de stabilité et prévoient d'investir plus d'un milliard de dollars dans la mise à l'échelle.
Le taux élevé de dégradation des cellules solaires en pérovskite, qui limite leur durée de vie utile, constitue un autre défi. On constate toutefois une amélioration au niveau des cellules et des modules, comme le montre l'illustration de droite ci-dessous. Ici, vous pouvez voir le taux de dégradation de l'ECP des PV à pérovskite au niveau des cellules et des modules par rapport aux technologies bien établies telles que le Si cristallin, le Si polycristallin, le CdTe, le a-Si et le CIGS. Il est intéressant de noter que l'écart avec le niveau de dégradation commercial acceptable se réduit généralement, et il existe également des rapports spécifiques où cet écart est entièrement comblé. Lors de la conférence, des chercheurs de premier plan, comme ceux de l'Institut de technologie de Karlsruhe, présenteront des technologies de passivation pour les cellules tandem en pérovskite.
Un autre défi est bien sûr la présence de plomb dans les PV à pérovskite les plus performants. Il s'agit d'une question importante mais, faute d'espace dans l'article, nous ne l'aborderons pas plus avant.
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La fabrication des pérovskites, qu'il s'agisse de cellules simples ou en tandem, est une question importante. Le dépôt physique en phase vapeur donne actuellement les meilleurs résultats. La plupart des entreprises qui fabriquent des cellules tandem utilisent cette technique, car elle permet d'obtenir des cellules plus stables grâce à un meilleur contrôle des propriétés de la couche mince.
Pour les cellules à pérovskite uniquement, les techniques de dépôt de couches minces pourraient s'avérer compétitives en termes de coûts par rapport au silicium en plaquettes. Cela ne s'est pas avéré être le cas avec le silicium amorphe. Cependant, les pérovskites sont beaucoup plus efficaces que le a-Si et peuvent donc diviser par deux le coût $/W, même avec les mêmes coûts d'équipement et paramètres de production.
En ce qui concerne les cellules pérovskites, les procédés à couches minces offrent une approche immédiate pour la compatibilité avec les lignes de silicium existantes, ce qui permet de tirer parti des cellules solaires pérovskites pour augmenter l'efficacité des cellules en silicium bien établies. Sans cette technologie d'appoint, le silicium pourrait avoir atteint les limites de ses performances, l'exposant à un risque de rupture technologique. Par conséquent, les cellules à couche mince de pérovskite peuvent être le sauveur des cellules photovoltaïques au silicium si elles s'avèrent suffisamment stables et non toxiques.
Pour atteindre des échelles au-delà de ce que la technologie des plaquettes peut faire, beaucoup développent des approches basées sur l'impression R2R, en empruntant les leçons du développement de l'OPV. Dans ce cas, certains visent des bandes de 1,5 m à une vitesse incroyable (pour ce secteur) de 30 m/min pour des PV pérovskites entièrement R2R, du déroulement à l'enroulement. Les interfaces inter-couches plus propres, comparées à la morphologie donneur-accepteur entrelacée des OPV, pourraient rendre ce procédé plus simple que les OPV, à condition que de bonnes encres pérovskites soient développées.
Lors de la conférence, vous entendrez des chercheurs de premier plan travaillant sur le traitement en solution ainsi que sur le revêtement R2R des photovoltaïques en pérovskite des universités de VTT et de Swansea. Il s'agira d'exposés généraux, décrivant l'état de l'art et offrant une analyse comparative non évaluée.
Parallèlement, vous entendrez des entreprises qui tentent de produire commercialement des PV pérovskites R2R ou des start-ups qui développent de nouvelles encres pérovskites, comme Solaire Enterprises. Nous mettrons également l'accent sur la production R2R de cellules solaires tandem points quantiques-perovskite par des entreprises comme QDSolar, une approche novatrice qui pourrait combiner le meilleur des deux technologies émergentes.
Enfin, les cellules solaires en pérovskite peuvent également être imprimées par jet d'encre. Cela présente l'avantage d'une liberté de conception ainsi que la possibilité d'intégrer des matériaux. Vous entendrez le témoignage de Saule Technologies, qui développe des cellules solaires imprimées par jet d'encre (42 000 m² par an) avec un solide portefeuille d'applications, et de Brite Solar, qui développe des cellules photovoltaïques imprimées par jet d'encre pour des cellules solaires de plus grande surface.
À gauche : la ligne pilote solaire R2R à grande vitesse d'EMC avec une couche conductrice transparente à mailles métalliques imprimée par flexographie sur du verre Corning de 100 um. À droite : PV en pérovskite imprimés par jet d'encre par Saule Technology sur du verre et quelques exemples d'applications intérieures. Devenez titulaire d'un laissez-passer annuel pour regarder ce contenu à la demande.
Photovoltaïque organique : Renaissance ?
Comme le montre le graphique de l'efficacité par rapport à l'année, les photovoltaïques organiques ont un historique de développement de 20 ans déjà. La technologie a connu un revers après la faillite de Konarka, bloquant le développement commercial et technologique. Cela se reflète dans la lente croissance incrémentale de l'efficacité du photovoltaïque organique entre 2011 et 2018. Cependant, l'efficacité a fait des bonds depuis lors, les cellules OPV dépassant une efficacité certifiée de 18 %.
L'évolution des matériaux et la maîtrise de l'art du contrôle de la morphologie des donneurs-accepteurs à l'échelle nanométrique permettront de maintenir cette tendance. En particulier, ces dernières années, la transition vers des accepteurs non fullerènes a rajeuni la tendance du développement, conduisant à un niveau d'efficacité toujours plus élevé.
Toutes sortes de développements de matériaux se poursuivent à un rythme soutenu, façonnant l'avenir de la technologie OPV. Lors de la conférence TechBlick en direct (en ligne) les 1er et 2 décembre, vous entendrez des représentants de Brilliant Matters, Phillips 66, Solaire et d'autres discuter du développement des matériaux organiques et pérovskites.
Source TechBlick. Adapté des données de l'université de Swansea.
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Parallèlement, et c'est tout aussi important, il y a maintenant une accumulation importante d'apprentissages techniques au niveau de la production dans l'industrie. Au début, Konarka a levé d'énormes sommes d'argent, mais la bulle de l'engouement autour de la technologie OPV a éclaté avec sa faillite.
Konarka a souffert d'un mauvais timing à cette époque. La Chine a massivement augmenté sa capacité de production de cellules au silicium grâce à des financements et à d'autres aides publiques, ce qui a modifié le paysage concurrentiel avec la chute des prix en dollars par watt. Cependant, Konarka a également commis des erreurs technologiques. Elle a voulu passer à l'échelle trop tôt et a essayé d'utiliser une machine à bobine Polaroid de 1,5 m de large, non personnalisée, qui n'a pas pu être optimisée pour améliorer l'efficacité des cellules OPV. Ainsi, malgré l'investissement, l'entreprise n'a jamais réussi à approcher le niveau d'efficacité de 5 % et n'a jamais fait fonctionner la machine à des vitesses proches de celles prévues. L'industrie a tiré ces leçons.
En fait, malgré ce revers, l'industrie a poursuivi ses développements. Il y a eu un certain degré de consolidation technologique par le biais de fusions et d'acquisitions et, plus important encore, un excellent développement de l'expertise technique.
Comme le montre l'exemple ci-dessous, les entreprises peuvent désormais traiter des bandes plus larges avec une bonne uniformité. Cet exemple spécifique est celui de Sunew au Brésil. Elle imprime sur des bandes de 0,5 m avec des longueurs allant jusqu'à 1,5 km. Elle dispose de cinq stations d'impression et de 32 lignes d'impression (64 en recto-verso).
Comme on peut le voir ci-dessous, ils peuvent maintenir une uniformité d'épaisseur sur la bande de <2%. De plus, ils obtiennent un EQE relativement constant lorsque la bande est mise à l'échelle. Ce n'est pas un exploit facile à réaliser. En outre, ils ont réduit à <<3 le nombre de passages fictifs pour atteindre l'uniformité entre les passages. Vous pouvez également voir divers exemples d'installation, qui montrent que cette technologie n'est pas encore prête pour la production d'énergie au niveau des services publics, mais qu'elle trouve des utilisations uniques de niche ailleurs.
Sunew n'est pas le seul à augmenter la production R2R d'OPV organiques. Armor (ASCA) est également en train d'augmenter la production de PVO à hétérojonction en vrac traités en solution. Heliatek maîtrise l'art complexe de l'évaporation R2R des PVO en tandem.
Lors de la conférence LIVE (en ligne) de TechBlick les 1er et 2 décembre, vous pourrez entendre en direct tous les acteurs clés de ce domaine, notamment Sunew, Armor et Heliatek. Vous pourrez également rencontrer les conférenciers de ces entreprises dans les salles interactives "virtuelles en personne" pour échanger et discuter davantage. Vous entendrez également des fabricants d'équipements tels que Coatema, dont l'expertise et les machines de revêtement sur mesure jouent un rôle essentiel dans le développement de cette industrie.
Données de Sunew. Adapté par TechBlick.
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Tout le monde ne se concentre pas non plus sur les applications extérieures ou BIPV. C'est logique, car l'efficacité et les coûts des OPV ne sont pas encore assez élevés pour concurrencer directement les technologies Si ou CdTe.
En revanche, un argument de vente fort et un facteur de différenciation pour les OPV a toujours été leur capacité à surpasser les cellules Si standard dans des conditions de faible éclairage intérieur. Dans certains cas, comme le montrera le NRCC lors de notre conférence, le rendement à l'intérieur peut approcher les 30 %.
Cela explique l'intérêt marqué pour les applications de récolte d'énergie à l'intérieur des habitations, en cherchant notamment à offrir un module entièrement intégré pour remplacer les piles à pièces ou à prolonger leur durée de vie de sorte qu'elles deviennent des solutions prêtes à l'emploi. Lors de la conférence TechBlick, Enerthing, par exemple, présentera son approche des modules de collecte d'énergie basés sur les PVO.
L'un des obstacles à l'adoption de la récolte d'énergie par les VPO est le coût élevé de la production d'énergie par les VPO. Pour surmonter cet obstacle, les techniques R2R peuvent s'avérer utiles. Epishine, un autre intervenant à la conférence en direct (en ligne) de TechBlick, présentera sa ligne entièrement R2R - de la production à la conversion - pour produire en masse des OPV à grande vitesse et à faible coût.
Comme vous l'apprendrez, ces entreprises vont plus loin que jamais et presque toutes profitent directement des développements technologiques de la génération précédente d'acteurs dans le domaine. Certaines ont repris des équipements à moindre coût qui étaient initialement destinés à d'autres applications, tandis que d'autres ont absorbé la propriété intellectuelle ainsi que le savoir-faire technique des acteurs précédents. Par conséquent, on peut facilement reconnaître un fil conducteur et un héritage commun à tous ces développements.
La personnalisation de la conception ou la conception de formes libres a été un autre élément de différenciation des cellules solaires organiques. Dans ce domaine, l'impression à jet d'encre peut devenir très design, permettant d'essayer rapidement différentes conceptions ainsi que différents matériaux actifs et solvants verts. Lors de la conférence TechBlick des 1er et 2 décembre 2021, vous entendrez le témoignage de Dracula Technologies, l'un des pionniers dans ce domaine. Dracula prévoit de porter sa capacité à 5 000 000 de pièces d'ici à la mi-2023, ce qui montre que l'impression à jet d'encre peut également être un bon choix pour l'industrialisation des OPV destinés aux applications intérieures. Enfin, en matière de photovoltaïque (organique, CIGS, QDs), la passivation est un élément clé. Des niveaux de perméabilité souvent plus élevés sont requis (>10E-4g/jour/m²), ce qui nécessite des structures multicouches constituées de paires de couches organiques-inorganiques. Cette situation, ainsi que les faibles volumes de production actuels, augmentent le coût des films barrières. Ces films constituent à leur tour un élément de coût majeur, faisant grimper le prix des OPV et autres cellules solaires. C'est un problème classique de la poule et de l'œuf pour cette industrie.
Malgré cela, de bonnes solutions techniques sont désormais disponibles et arrivent à maturité. Les prix ont également baissé rapidement, même si ce n'est pas assez. En plus des propriétés de barrière, des caractéristiques supplémentaires telles que les protections UV sont également introduites. Lors de cette conférence, vous pourrez entendre les dernières nouvelles de deux acteurs majeurs, 3M et ITRI. Le premier est un acteur majeur dans le domaine et le second propose une solution unique très originale.
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Un dernier point est que l'impression ou le traitement R2R ne sont pas propres aux organiques ou aux pérovskites. Le CIGS peut également être produit en R2R. Ceux qui ont un passé dans l'industrie se souviennent peut-être de certaines entreprises bien financées qui cherchaient à imprimer des encres CIGS de manière R2R.
Lors de cette conférence, nous entendrons parler d'approches intéressantes pour le traitement R2R du CIGS. FlisomAG, avec la technologie de l'Empa, est très avancée en termes de production R2R avec un portefeuille de produits prêts à la vente de CIGS flexibles à haute performance.
Source : OPVs imprimés par jet d'encre de Dracula.
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Parmi les principaux intervenants mondiaux, citons :
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