AVIS D'EXPERT. Fabrication rapide, performance élevée, compatibilité avec d'autres technologies… L'hétérojonction des cellules photovoltaïques semble parée de toutes les vertus. Explications avec Charles Roux, chef de laboratoire au CEA-Ines de Grenoble.
La récente publication de résultats record pour des cellules à hétérojonction de silicium apporte un coup de projecteur sur cette technologie qui pourrait amener des progrès substantiels dans une industrie où l'on se bat afin de grappiller le moindre dixième de pourcent de rendement. Charles Roux, responsable d'un laboratoire du CEA-Ines à Grenoble, nous raconte : "Nous travaillons sur ces technologies depuis plusieurs années, avant même 2005. Nous avons une première ligne pilote R&D sur des équipements industriels à l'Ines et nous avons développé différents types de cellules photovoltaïques". L'hétérojonction de silicium s'appuie sur un cœur de cellule en silicium monocristallin de type N, dopé au phosphore, qui est rendu semi-conducteur. "A partir de ce matériau de haute-qualité, il y a très peu d'étapes de fabrication : gravure par bain chimique pour former des pyramides sur les wafers (plaquettes de silicium), puis nettoyage chimique avant de passer au dépôt des couches nanométriques de silicium amorphe par plasma, puis de silicium amorphe dopées N sur une face et dopées P sur l'autre face, le tout à basse température, autour de 200 °C", énumère le spécialiste. Une température beaucoup moins élevée que pour les technologies classiques qui nécessitent des passages à 400 °C, voire 800-850 °C lors de certaines étapes.
"Puis il y a dépôt sur les deux faces d'un oxyde transparent conducteur et enfin métallisation par sérigraphie d'un motif de lignes qui collectent les charges électriques. L'interconnexion des cellules entres elles est réalisée ultérieurement lors de la fabrication du module", reprend l'expert du CEA. L'hétérojonction produit donc une cellule quasi-symétrique, ce qui peut être utile pour des applications bifaciales, où certaines configurations permettent de tirer profit de la réflexion de la lumière en sous-face des modules. De quoi apporter un surcroît de puissance compris entre +8 et +15 % par rapport à un module classique. "L'autre avantage est que l'hétérojonction présente un coefficient de température plus favorable : on perd moins en efficacité quand elle s'élève", ajoute Charles Roux. Les cellules ne cèdent que -0,25 % par degré supplémentaire contre -0,35 % pour des solutions standard. D'où un meilleur rendement en été et par temps chaud, lorsque les panneaux sont particulièrement sollicités. Le chercheur du CEA entrevoit une autre application possible : "Des modules placés verticalement et orientés Est-Ouest, profiteraient de deux pics de production, à 10 heures le matin et 16 heures l'après-midi". De quoi venir lisser la production de centrales classiques qui ne présentent qu'un seul pic de production à midi, grâce à leurs panneaux orientés vers le sud. "Ce décalage qui répartirait la production serait plus facile à gérer pour le réseau", détaille Charles Roux.
Associer la technologie aux prometteurs pérovskites
La performance supérieure de l'hétérojonction se double de sa capacité à être compatible avec d'autres technologies de cellules photovoltaïques, notamment celles aux contacts en face arrière. "Les records mondiaux ont été obtenus avec cette technologie également, puisqu'il n'y a plus d'ombrages en face avant grâce à une métallisation intégralement reportée en face arrière", nous révèle-t-il. L'idéal serait d'ensuite combiner ces cellules avec d'autres solutions comme les pérovskites en cours de développement dans un autre laboratoire, dont la structure cristalline particulière permet de capter de l'énergie à la fois dans l'ultraviolet et dans le début du spectre visible. "L'hétérojonction vient compléter ce profil avec le visible et l'infrarouge. En tandem, les rendements pourraient théoriquement atteindre les 32 %", nous promet le scientifique. Le CEA travaille notamment sur de telles formulations afin de pouvoir les mettre en œuvre sur de plus grandes surfaces qu'actuellement (quelques centimètres carrés) et d'améliorer leur stabilité dans le temps, qui reste le défi des pérovskites. Côté analyse du cycle de vie, l'hétérojonction s'avère assez vertueuse "grâce à une meilleure utilisation des matériaux". Toutefois, l'utilisation d'indium, une terre rare, demandera des études de substitution. "Les quantités mises en jeu actuellement sont assez faibles par rapport à ce qui est utilisé dans les écrans plats ou la téléphonie", avertit le spécialiste. D'autant que la rareté de cette ressource serait, en fait, spéculative plutôt que réelle, puisque des réserves pour l'heure inexploitées existeraient en dehors de Chine, notamment en Amérique du Nord ou en Australie. "C'est un sous-produit de l'extraction d'autres métaux comme le cuivre, qu'il faudrait valoriser", note l'expert.
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L'hétérojonction devrait donc trouver rapidement des débouchés dans l'industrie française et européenne, comme le souhaite le CEA. "Le modèle de coût de cette technologie a été très travaillé, il pourra descendre à des prix compétitifs grâce à des usines de très grande taille, qui produisent plus d'un gigawatt de capacité par an". Un effort de ré-industrialisation sera toutefois nécessaire pour en tirer parti. D'ores et déjà la mise au point de procédés industriels est démontrée. Cependant d'autres étapes restent à franchir pour les scientifiques, notamment le développement de modules encore plus puissants et l'adoption de matériaux plus recyclables. L'hybridation avec la technologie pérovskite se fera dans un second temps, à un horizon de 5 ans, le temps de stabiliser cette solution.
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