Les laboratoires membres du projet Minotaure ont mis en commun leurs compétences et leurs équipements pour proposer une offre complète de caractérisation des cellules photovoltaïques de nouvelle génération. Un projet qui doit permettre à ces technologies, comme les cellules tandem, de gagner en robustesse.

La Chine a gagné la première manche de la bataille du photovoltaïque, avec une part de marché de plus de 50 % sur chaque étape de production des panneaux photovoltaïques. Mais l’Europe prépare la seconde manche. De nombreux laboratoires travaillent sur les futures générations de panneaux photovoltaïques, comme les cellules tandem (deux cellules solaires empilées), les cellules pérovskite ou, encore, les cellules organiques. Ces technologies sont en cours de développement. Mais toutes devraient dépasser, un jour, le seuil des 30 % de taux de conversion de la lumière en énergie électrique en condition industrielle, et au-delà de 35 à 40 % en laboratoire.

Les laboratoires réunis au sein du projet Minotaure – monté dans le cadre du programme de recherche nationale (PEPR) TASE – ont comme objectif d’assurer la robustesse et l’optimisation de ces cellules. Ils ont donc étudié en profondeur le comportement des matériaux utilisés en quête de nouvelles connaissances sur leurs propriétés et stabilités chimiques, physico-chimiques, structurales et mécaniques, optiques et optoélectroniques, et électriques.

« L’industrie du photovoltaïque repose aujourd’hui presque exclusivement sur le silicium monocristallin. La technologie du silicium est désormais mature. On sait comment atteindre des niveaux de pureté incroyables (concernant les teneurs en impuretés métalliques, on parvient à des valeurs inférieures à 0,000 1 ppb), et le silicium est aussi chimiquement très stable. La question de la pureté et de la stabilité est cependant cruciale pour les nouveaux matériaux, et les nouvelles technologies, telles que les cellules à base de semiconducteurs organiques », explique Jean-Paul Kleider, directeur de recherche au CNRS, au laboratoire de Génie électrique et électronique de paris (GEEPS), laboratoire partenaire du projet Minotaure, et directeur de la Fédération de recherche photovoltaïque (FedPV).

Un expert en rayons X ne va pas fournir d’informations sur le fonctionnement électronique d’une cellule

Jean-Paul Kleider

Une boîte à outils de la caractérisation

L’ambition du projet est d’exploiter un large panel de techniques pour caractériser les matériaux utilisés dans ces nouvelles cellules, et apporter des données à différentes échelles. « Un expert en rayons X ne va pas fournir d’informations sur le fonctionnement électronique d’une cellule », souligne à titre d’exemple Jean-Paul Kleider. Le projet réunit un ensemble de techniques de caractérisation très diverses, permettant de couvrir les diverses échelles spatiales de l’atome à la cellule photovoltaïque, et différents domaines (mécanique et structural, chimique, physique, physico-chimique, électronique et optoélectronique) : techniques de microscopie à force atomique, de diffraction de rayons X, de spectroscopie de photoélectrons, ou encore de spectroscopie de luminescence en régime continu.

L’autre priorité du projet est d’augmenter la fiabilité et la durabilité des cellules, grâce à une meilleure compréhension des mécanismes à l’origine de la dégradation ou du vieillissement des matériaux et des cellules. Par exemple, en simulant certaines conditions thermiques, de luminosité, d’humidité ou d’environnement divers (gaz, polluants), afin de mieux mesurer leur impact sur le fonctionnement de la cellule et le comportement dans le temps. Enfin, le projet Minotaure doit permettre la mise au point de modèles capables de simuler le fonctionnement de nouvelles cellules photovoltaïques, dans une approche multiéchelle.

Quelles nouvelles générations PV ?

Les porteurs du projet ont pris soin de ne pas concentrer leurs travaux de caractérisation sur les matériaux utilisés par une technologie particulière. « L’objectif est d’aboutir à des stratégies de diagnostic qui permettent de s’adapter aux nouveaux matériaux et à de nouvelles technologies de cellules », poursuit Jean-Paul Kleider. Ainsi, des cellules à base de silicium et de CIGS (composé de cuivre, indium, gallium et sélénium ou soufre) peuvent être utilisées comme base de départ. En effet, elles sont réputées stables. Cependant, les cellules et technologies émergentes à base de semiconducteurs organiques et de pérovskites, ont fait des progrès « spectaculaires » ces dernières années, tout comme les technologies de cellules tandem. Celles-ci seront particulièrement ciblées. Et ce d’autant plus qu’elles montrent encore beaucoup d’instabilité, et se dégradent rapidement en comparaison des cellules en silicium. Le projet Minotaure prévoit d’ailleurs de créer des passerelles avec un autre projet du PEPR, IOTA, portant sur les cellules tandem.

Enfin, les laboratoires ont aussi commencé à évoquer les pistes de valorisation de leurs travaux. Certains jeux de données pourraient donner naissance à des bases de données ouvertes. Des transferts vers l’industrie pourraient également avoir lieu ; EDF figure d’ailleurs parmi les partenaires du projet.