Les panneaux solaires en couches minces : quelle technologie utilisée ?
Le rayonnement solaire est l’énergie d’avenir. Elle permet de produire de l'électricité sans émettre de gaz à effet de serre ni de déchets radioactifs. Son intégration en remplacement des sources conventionnelles d'électricité constitue une étape significative vers une transition énergétique durable.
Poussée par l’innovation et la recherche, les équipements utilisés pour son exploitation n’ont pas cessé d’évoluer au fil des années. Si dans les années 2000, les panneaux solaires en couches minces étaient éclipsés par les panneaux photovoltaïques traditionnels qu’on voit partout du fait de leur rendement plus élevé, aujourd’hui, ils reviennent peu à peu au-devant de la scène. Et ce, en raison de leur moindre coût, des nouvelles d’applications que leur déploiement pourrait permettre, des contraintes techniques et des coûts liés au traitement et à la transformation du silicium dans l’industrie solaire. D’après les recherches réalisées dans le milieu, ils pourraient radicalement redéfinir le paysage du photovoltaïque sur les prochaines années.
Que faut-il savoir sur les panneaux solaires en couches minces ? Qu’est-ce qui différencie leur technologie de celle des panneaux solaires en silicium cristallin traditionnel ? On vous dit tout.
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Que sont les panneaux solaires en couches minces ?
Les panneaux solaires en couches minces sont des types de panneaux photovoltaïques qui utilisent des couches de matériaux semi-conducteurs très fines, généralement inférieures à 2 micromètres (0,5 à 3 microns d’épaisseur en moyenne), dans leurs cellules photovoltaïques pour convertir la lumière du soleil en électricité. Le matériau en question est déposé sur un substrat en verre, en plastique, ou en métal qui lui confère une certaine rigidité ou une certaine souplesse.
Qu’est-ce qui différencie les panneaux solaires en couches minces des panneaux photovoltaïques traditionnels ?
Sans entrer dans les détails relatifs aux coûts et à la durabilité, les panneaux solaires en couches minces diffèrent des panneaux solaires photovoltaïques traditionnels en 2 points :
L’épaisseur de la couche de matériau semi-conducteur : les panneaux photovoltaïques traditionnels intègrent une couche épaisse de 80 à 100 microns de silicium monocristallin ou polycristallin. C’est ce qui explique leur grande rigidité.
L’efficacité : les panneaux solaires en couches minces ont une efficacité de conversion inférieure à celle des panneaux en silicium cristallin, mais cette faiblesse est compensée par leur capacité à produire de l'énergie dans des conditions de faible luminosité et à des températures plus élevées, offrant ainsi une performance plus stable sur la durée.
Quel est le principe de fonctionnement des panneaux solaires en couches minces ?
Étant des panneaux photovoltaïques, les panneaux solaires en couches minces fonctionnent sur la base du même principe que leurs homologues en silicium cristallin : ils convertissent la lumière solaire en électricité verte par l'intermédiaire de l'effet photovoltaïque.
Quelles sont les différentes technologies des panneaux solaires en couches minces ?
Les progrès dans le domaine des technologies photovoltaïques ont abouti au développement de plusieurs types de panneaux solaires en couches minces, chacun avec ses propres spécificités.
Ci-dessous les plus connues.
Technologie a-Si ou silicium amorphe
La technologie a-Si ou silicium amorphe est la plus ancienne et la plus répandue des technologies en couches minces. Elle utilise une forme non cristalline du silicium qui présente une structure désordonnée.
Le silicium amorphe est déposé sur substrat via un procédé de pulvérisation ou de dépôt chimique en phase vapeur. Il peut être utilisé seul ou en combinaison avec d'autres matériaux comme le germanium pour former des cellules solaires multi-jonctions qui offrent un meilleur rendement.
Ses avantages
Moins coûteuse et moins gourmande en matière première que la technologie en silicium cristallin.
Plus résistante à la température et à l'ombrage que la technologie en silicium cristallin, car présente une meilleure tolérance aux variations de luminosité et de chaleur.
Ses inconvénients
Présente un rendement plus faible que la technologie en silicium cristallin, de l'ordre de 6 à 9 % contre 15 à 20 % pour le silicium cristallin.
Nécessite une surface plus importante que la technologie en silicium cristallin pour produire la même quantité d'électricité.
Technologie CIGS ou diséléniure de cuivre-indium-gallium
La technologie CIGS ou diséléniure de cuivre-indium-gallium utilise un composé de cuivre, d'indium, de sélénium et éventuellement de gallium comme matériau semi-conducteur.
Le dépôt sur substrat se fait par un procédé de co-évaporation ou de sélénisation. Le CIGS peut être utilisé seul ou en combinaison avec d'autres matériaux comme le CdS (sulfure de cadmium) pour former des cellules solaires multi-jonctions offrant un meilleur rendement.
Ses avantages
Ses inconvénients
Plus coûteuse et plus complexe à produire que la technologie a-Si, car le procédé de fabrication est plus élaboré et plus précis (des températures élevées, contrôles de qualité rigoureux…).
Utilise des matériaux rares et chers comme l'indium et le gallium qui sont soumis à des fluctuations de prix et menacés de pénurie (donc technologie moins compétitive et moins durable).
Technologie CdTe ou tellurure de cadmium
La technologie CdTe ou tellurure de cadmium utilise un composé de cadmium et de tellure comme matériau semi-conducteur. Le dépôt sur substrat se fait de la même manière que pour le silicium amorphe a-Si, c’est-à-dire par pulvérisation ou par dépôt chimique en phase vapeur.
Le CdTe est soit utilisé seul, soit utilisé en combinaison avec d’autres matériaux comme le CdS (sulfure de cadmium) à des fins d’amélioration de performance.
Ses avantages
Présente un rendement plus élevé que la technologie a-Si, de l'ordre de 17 %.
Moins coûteuse et moins gourmande en matière première que la technologie CIGS, car utilise une couche de CdTe très fine et des matériaux moins rares et moins chers.
Ses inconvénients
Pose des problèmes environnementaux et sanitaires, car le cadmium est un élément toxique et cancérigène qui peut contaminer les sols, les eaux et les organismes vivants.
Moins facile à intégrer dans des applications flexibles, car nécessite un substrat rigide et transparent comme le verre pour assurer une bonne conductivité électrique.
Technologie GaAs ou arséniure de gallium
La technologie GaAs ou arséniure de gallium utilise une combinaison de gallium et d'arsenic comme matériau semi-conducteur. Le GaAs est déposé sur substrat en via un procédé de dépôt épitaxial ou de dépôt chimique en phase vapeur. Il peut être utilisé seul ou en combinaison avec d'autres matériaux comme l'AlGaAs pour former des cellules solaires multi-jonctions avec un rendement amélioré.
Ses avantages
Présente un rendement très élevé pouvant aller jusqu’à 40 %, ce qui la place au-dessus de toutes les autres technologies photovoltaïques.
Très adaptée aux applications spatiales comme les satellites, les sondes, ou les stations orbitales, car elle résiste très bien aux conditions extrêmes de l'espace (températures, radiations, chocs).
Ses inconvénients
Très coûteuse et très complexe à produire, car le processus de fabrication est plutôt élaboré et nécessite un certain niveau de perfectionnement.
Utilise des matériaux rares et chers (le gallium).
Présente des problèmes environnementaux et sanitaires, car l'arsenic est toxique.
Technologies émergentes (pérovskite, organique)
Les technologies émergentes telles que les cellules solaires à base de pérovskite et de matériaux organiques (plus conducteurs que le silicium cristallin) promettent de révolutionner le marché grâce à leur potentiel d'efficacité et de réduction des coûts.
Pour aller plus loin, lisez aussi : panneaux solaires en pérovskite la prochaine révolution énergétique.
Leurs avantages
Potentiel d'efficacité comparable ou supérieur aux technologies actuelles à un coût potentiellement plus bas : 25 % à 30 % pour les panneaux solaires en pérovskite et 10 % à 20 % pour les panneaux solaires organiques.
Possibilité de fabrication par des procédés d'impression, ouvrant la voie à une production de masse économique.
Leurs inconvénients :
Durabilité et stabilité à long terme encore à améliorer.
Défis liés à la commercialisation (toxicité de certains composants comme le plomb dans le cas de la pérovskite) et à la production à grande échelle.
Tableau comparatif des performances de chaque technologie
Pour que vous puissiez bien avoir une vue d’ensemble de toutes les technologies énoncées, voici un tableau récapitulatif de leurs caractéristiques principales :
| Technologie | Rendement | Coût | Stabilité | Toxicité | |
|---|
| a-Si | 6 à 9 % | Bas | Faible | Faible | |
| CIGS | Jusqu’à 20 % | Élevé | Bonne | Faible | |
| CdTe | 17 % en moyenne | Moyen | Moyenne | Élevée | |
| GaAs | Jusqu’à 40 % | Très élevé | Bonne | Élevée | |
| Pérovskite | 25 à 30 % | Bas | À démontrer | Faible | |
| Organique | 10 à 20 % | Bas | À démontrer | Faible | |
Exemple d’applications des panneaux photovoltaïques en couches minces
La flexibilité, la légèreté et l'adaptabilité des panneaux solaires en couches minces ouvrent la porte à une multitude d'applications novatrices, allant au-delà de la simple production d'énergie verte sur les toits des bâtiments :
Toitures et bâtiments : ils peuvent être utilisés pour recouvrir les toitures et les façades des bâtiments, afin de produire de l'électricité et de réduire la consommation énergétique. Ils peuvent également être intégrés dans des matériaux de construction, comme les tuiles, les briques, ou les panneaux, pour créer des bâtiments solaires autonomes et esthétiques.
Véhicules électriques : ils peuvent être intégrés sur les toits et les carrosseries des véhicules électriques pour augmenter l'autonomie en fournissant une charge supplémentaire.
Électronique portable : ils peuvent servir pour alimenter les appareils électroniques portables tels que les téléphones, les tablettes ou les montres en les intégrant dans les coques, les écrans, ou les bracelets. Ils peuvent ainsi prolonger la durée de vie des batteries et éviter le recours aux chargeurs.
Intégration dans des matériaux de construction : des fenêtres solaires aux façades de bâtiments, ils peuvent être intégrés de manière esthétique dans l'architecture, combinant production d’électricité et design.
Si vous envisagez d’installer des panneaux solaires prochainement, cet article pourrait vous être utile :
