La demande globale d’énergie augmente d’heure en heure au fur et à mesure que les pays en voie de développement s’engagent dans l’industrialisation. Selon les experts, d’ici à l’année 2050, la demande d’électricité, pour le monde entier, se monterait à 30 térawatts (TW). Pour donner une idée, 1 térawatt équivaut, en gros, à la puissance de 1,3 milliard de chevaux-vapeur.
L’énergie solaire ne connaît pas de limite. À chaque instant, le Soleil nous fournit gratis une puissance de 120 000 TW. Mais aujourd’hui, cette forme d’énergie ne représente qu’environ 1 % de l’électricité mondiale. L’enjeu critique, c’est de la rendre moins chère pour convertir la photo énergie en énergie électrique utilisable.
Pour ce faire, nous avons besoin de trouver des matériaux absorbant la lumière du Soleil et capables de la transformer efficacement en électricité. De plus, ces matériaux doivent se trouver en abondance, ne pas nuire à l’environnement et se révéler d’un coût raisonnable pour fabriquer des dispositifs solaires.
Les chercheurs du monde entier travaillent pour développer des technologies de cellules solaires efficaces et accessibles financièrement. Le but était de ramener le coût d’installation de l’électricité solaire sous la barre de 1 dollar américain par watt, au lieu d’à-peu-près 3 dollars actuellement.
Au Centre pour une puissance solaire autonome de l’université de Binghamton (État de New York), nous cherchons comment obtenir des cellules solaires fines comme une pellicule en utilisant des matériaux non toxiques et qui abondent dans la nature. Notre but : développer des cellules solaires fiables, très performantes pour convertir la luminosité du Soleil en électricité et pas chère à fabriquer. Nous avons identifié deux matériaux qui possèdent une grande capacité à absorber le rayonnement solaire : la pyrite, plus connue sous le nom de l’« or du nigaud » à cause de son éclat métallique et le sulfure de cuivre-zinc-étain (CZTS)
À la recherche du matériau idéal
À l’heure actuelle, les cellules solaires présentes dans le commerce sont faites d’un de ces trois matériaux : le silicium, le tellurure de cadmium (CdTe) et le cuivre-indium-gallium-séléniure (CIGS), chacun ayant ses points forts et des faiblesses.
Les cellules solaires avec du silicium sont extrêmement efficaces, convertissant en électricité jusqu’à 25 % de la lumière solaire qui les atteint, de façon très durable. Cependant, la transformation du silicium en tranches s’avère très coûteuse et ces tranches doivent être très épaisses (environ 0,3 millimètre, un chiffre conséquent pour des cellules solaires) afin d’absorber toute la lumière solaire qui arrive sur elles – ce qui, de plus, en augmente le coût.
Les cellules solaires faites de silicium – qu’on appelle souvent cellules de première génération – sont utilisées en panneaux, une vision devenue familière sur les toits. Notre centre étudie un autre modèle, appelé cellules solaires « en pellicule fine », qui constituent la prochaine génération de la technologie solaire. Comme leur nom l’indique, ces cellules solaires aussi minces qu’une pellicule de film sont fabriquées en apposant une mince couche de matériau absorbant l’énergie solaire sur un support comme le verre ou le plastique, flexibles par nature.
Ces cellules solaires utilisent moins de matériau, elles sont donc meilleur marché que les cellules solaires cristallines, faites de silicium. Impossible de recouvrir du silicium sur un support flexible, on a donc besoin d’un matériau différent capable d’absorber le solaire.
Même si la technologie de la pellicule fine solaire avance rapidement, certains matériaux de ces cellules se révèlent rares ou dangereux. Par exemple, le cadmium du CdTe est très toxique pour toutes les espèces vivantes et il peut provoquer le cancer chez les humains. le CdTe risque de se fractionner en cadmium et tellure à des températures élevées (par exemple dans un laboratoire ou lors d’un incendie) et causer des risques importants si on les inhale.
Nous travaillons avec la pyrite et le CZTS parce qu’ils ne sont ni toxiques ni très chers. Le CZTS coûte à peu près 0,005 cent par watt et la pyrite à peine 0 000002 cent par watt. Ils font partie des matériaux les plus abondants dans la croûte terrestre et ils absorbent efficacement le spectre visible du Soleil. Ces pellicules peuvent être aussi minces que 1/1000ème de millimètre.
Nous avons besoin de cristalliser ces matériaux avant de pouvoir les transformer en cellules solaires, ce qui se fait en les chauffant. Au lieu des 1 200 °C ou davantage exigés pour sa transformation par le silicium, le CZTS se cristallise à des températures inférieures à 600 °C, ce qui le rend moins cher à traiter. Il se comporte à peu de chose près comme les cellules solaires CIGS, très performantes et désormais commercialisées, mais où l’on remplace l’indium et le gallium par du zinc et de l’étain, moins coûteux et plus abondants.
Cependant, jusqu’à présent, les cellules solaires CZTS restent relativement inefficaces : elles convertissent en électricité moins de 13 %de la lumière qu’elles reçoivent en comparaison des 20 % produits par les cellules CIGS, certes plus coûteuses.
Nous savons que, potentiellement, les cellules solaires CZTS peuvent atteindre une efficacité de 30 %. Le pari principal, c’est d’une part de synthétiser la pellicule fine CZTS de grande qualité en n’y laissant aucune trace d’impuretés et, d’autre part, de trouver un matériau approprié pour la couche tampon placée sous la pellicule et qui concourt à recueillir les charges électriques créées par la lumière solaire dans la couche absorbante. Notre laboratoire a produit une pellicule fine CZTS d’une efficacité de 7 % et nous espérons atteindre rapidement le chiffre de 15 % en synthétisant des couches CZTS d’excellente qualité et en trouvant des couches tampons adéquates.
La pyrite est un autre absorbant possible et peut être synthétisée à très basse température. Notre laboratoire a synthétisé des pellicules fines de pyrite et nous sommes en train de disposer ces pellicules en couches pour en faire des cellules solaires. Processus difficile, car la pyrite, quand on l’expose à la chaleur et à l’humidité, se dégrade facilement.
Nous cherchons comment la rendre plus stable sans diminuer sa capacité d’absorption solaire, ni ses propriétés mécaniques. Si nous arrivons à résoudre ce problème, l’« or du nigaud » peut se transformer en dispositif photovoltaïque intelligent.
Dans une étude récente, des chercheurs des universités Stanford et Berkeley ont estimé que la puissance solaire pouvait, d’ici à 2050, fournir jusqu’à 45 % de l’électricité des États-Unis. Pour atteindre ce but, il nous faut continuer à abaisser le coût de l’énergie solaire et trouver comment donner plus de durabilité aux cellules solaires. Selon nous, des matériaux abondants et non toxiques sont les éléments qui offriront à l’énergie solaire son plein potentiel.