Cellules photovoltaïques micrométriques : une « percée technologique » pour la miniaturisation des appareils

À une époque où les solutions énergétiques durables sont plus cruciales que jamais, l’évolution de la technologie photovoltaïque (solaire) se trouve à l’avant-garde de l’innovation. Un exemple récent provient de l’Université d’Ottawa (U of O), où une équipe de scientifiques a réussi à “réaliser une première mondiale en fabriquant les premières cellules photovoltaïques micrométriques à contacts arrière.” Cela est décrit comme une “étape cruciale” pour faciliter la miniaturisation continue de l’électronique.

• Mathieu de Lafontaine, chercheur postdoctoral à l’U of O et professeur de physique à temps partiel
• Karin Hinzer, vice-doyenne, recherche, et titulaire de la chaire de recherche universitaire en dispositifs photoniques pour l’énergie à la Faculté de génie

Bien que l’U of O ait été centrale dans cette percée, l’équipe a également été soutenue par l’Université de Sherbrooke au Québec et le Laboratoire des Technologies de la Microélectronique à Grenoble, France.

Qu’est-ce que les cellules photovoltaïques ?

Les cellules photovoltaïques, communément appelées cellules solaires, sont des dispositifs qui convertissent directement la lumière du soleil en électricité. Elles fonctionnent selon le principe de l’effet photovoltaïque, où l’énergie lumineuse (photons) frappant des matériaux semi-conducteurs tels que le silicium libère des électrons de leurs orbites atomiques, créant ainsi un flux de charge électrique.

Ces cellules sont les blocs de construction fondamentaux des panneaux solaires et sont essentielles pour exploiter l’énergie solaire, une source d’énergie renouvelable et propre. L’avancée récente de l’U of O dans le développement de cellules photovoltaïques micrométriques représente un bond significatif dans cette technologie, offrant des solutions plus efficaces et compactes.

Qu’est-ce que les « cellules photovoltaïques micrométriques à contacts arrière » ?

Comme mentionné, les cellules photovoltaïques micrométriques à contacts arrière représentent une avancée révolutionnaire dans la technologie solaire. Contrairement aux cellules solaires traditionnelles, où les contacts électriques sont situés sur les surfaces avant et arrière, les cellules à contacts arrière ont tous leurs contacts électriques sur le côté arrière.

Cette conception unique réduit considérablement l’effet d’ombrage causé par les électrodes sur la surface de la cellule, améliorant ainsi la capacité de la cellule à capter la lumière du soleil.

Quel est l’effet d’« ombrage » ?

L’effet d’« ombrage » dans les cellules solaires fait référence à l’obstruction de la lumière du soleil causée par la présence de contacts électriques sur la surface de la cellule. Les cellules photovoltaïques traditionnelles possèdent des contacts métalliques (généralement en argent ou en aluminium) sur la surface supérieure qui collectent et transportent le courant électrique généré par la cellule.

Ces contacts, cependant, peuvent bloquer une partie de la lumière entrante, l’empêchant d’atteindre le matériau photovoltaïque en dessous. Cette obstruction réduit la quantité de lumière disponible pour la conversion en électricité, diminuant ainsi l’efficacité globale de la cellule solaire.

Source: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386423005325

Réduire cet effet d’ombrage est crucial pour plusieurs raisons :

1. Efficacité accrue: En minimisant la zone couverte par les contacts, une plus grande partie de la surface de la cellule peut participer activement à l’absorption de la lumière et à sa conversion en électricité. Cela améliore l’efficacité globale de la cellule, lui permettant de générer plus de puissance à partir de la même quantité de lumière solaire.
2. Rentabilité: Une efficacité plus élevée signifie que la même quantité d’énergie peut être produite avec moins de cellules. En conséquence, le coût global des systèmes d’énergie solaire peut être réduit, rendant l’énergie solaire plus compétitive par rapport à d’autres formes d’énergie, augmentant ainsi son accessibilité à un plus large éventail d’utilisateurs.
3. Polyvalence et flexibilité de conception: Réduire l’ombrage permet des conceptions de cellules solaires plus innovantes et flexibles. Cela peut conduire au développement de cellules non seulement plus efficaces, mais aussi plus fines et plus légères, ce qui peut être particulièrement bénéfique pour des applications soumises à des contraintes d’espace et de poids, comme dans l’aérospatiale, les appareils portables et les solutions intégrées aux bâtiments.

Réduire l’effet d’ombrage est essentiel pour faire progresser la technologie solaire – ce qui est désormais abordé avec ces cellules photovoltaïques micrométriques à contacts arrière. En conséquence, nous pouvons bientôt nous attendre à des cellules solaires plus efficaces, rentables et polyvalentes qui devraient finalement contribuer à une adoption plus large de l’énergie solaire en tant que source d’énergie durable.

Pourquoi la miniaturisation est-elle importante ?

Au-delà de la réduction de l’effet d’ombrage dans les cellules photovoltaïques traditionnelles, le contact arrière permet une miniaturisation grandement améliorée. Cela est crucial dans le domaine de l’électronique et des technologies d’énergie renouvelable car cela permet une utilisation plus efficace de l’espace et des ressources tout en améliorant les performances.

L’aspect « micrométrique » de ces cellules les rend d’environ deux fois l’épaisseur d’un cheveu humain. En conséquence, ces cellules photovoltaïques plus petites et plus efficaces développées par l’U of O peuvent également réduire considérablement les coûts de production (supposément jusqu’à une réduction de trois fois).

“Cette percée technologique promet des avantages significatifs pour la société. Des cellules solaires moins chères et plus puissantes aideront à accélérer la transition énergétique.”

“Des batteries nucléaires légères faciliteront l’exploration spatiale, et la miniaturisation des appareils contribuera à la croissance de l’Internet des objets et mènera à des ordinateurs et smartphones plus puissants” – Mathieu de Lafontaine

Il est intéressant de noter que cette miniaturisation ne consiste pas seulement à rendre les appareils plus petits ; il s’agit de les rendre plus intelligents et plus adaptables à divers environnements. Dans le contexte d’un monde de plus en plus connecté, où l’Internet des objets (IoT) et les technologies intelligentes deviennent omniprésentes, les cellules photovoltaïques miniaturisées peuvent alimenter une multitude d’appareils sans les contraintes des sources d’énergie traditionnelles.

En ce sens, cette avancée peut faciliter une approche plus verte et durable de la production et de la consommation d’énergie, contribuant directement à la transition vers une économie neutre en carbone.

Où sont-elles utilisées ?

Les cellules photovoltaïques ont une large gamme d’applications qui ne cessent de croître avec des avancées comme la fabrication à contacts arrière. Cette polyvalence et cet attrait sont largement dus à leur capacité à générer de l’électricité de manière propre et renouvelable.

Au‑delà de la production d’énergie conventionnelle, elles sont essentielles dans les systèmes d’alimentation à distance et portables, comme ceux utilisés dans l’exploration spatiale, où elles alimentent satellites et engins spatiaux.

Avec la miniaturisation de ces cellules, leurs applications s’étendent aux appareils électroniques plus denses, pouvant transformer des industries telles que les télécommunications et l’Internet des objets (IoT). Comme mentionné précédemment, la miniaturisation peut conduire à des solutions solaires alimentées plus efficaces, compactes et polyvalentes, élargissant le champ d’application de la technologie photovoltaïque.

Acteurs de l’industrie

À l’heure actuelle, plusieurs entreprises notables favorisent la croissance du secteur de l’énergie durable en se concentrant sur les applications solaires. Les suivantes sont quelques‑unes d’entre elles, ainsi que d’autres ajouts notables.

1.  NextEra Energy Resources

(NEE )

NextEra Energy Resources, filiale de NextEra Energy, réalise des avancées significatives dans le secteur de l’énergie solaire. Au premier trimestre 2023, l’entreprise a ajouté environ 2 020 MW d’actifs renouvelables et de stockage à son carnet de commandes, incluant approximativement 1,3 GW de solaire, ainsi que des actifs de stockage et d’éolien. Cette addition a porté son carnet de projets à plus de 20,4 GW, démontrant un fort engagement à élargir son portefeuille d’énergies renouvelables.

Un projet notable est le projet solaire de 400 MW Sebree Solar dans le comté de Henderson, Kentucky, développé par Sebree Solar, filiale de NextEra Energy Resources.

De plus, NextEra Energy Resources est également impliquée dans un autre projet solaire de 200 MW via Green River Solar, une autre de ses filiales. Ces initiatives reflètent l’engagement de NextEra Energy Resources à faire progresser l’énergie solaire en tant qu’acteur clé du marché des énergies renouvelables.

2.  First Solar

(FSLR )

First Solar, entreprise américaine de premier plan spécialisée dans les modules solaires à couche mince de tellurure de cadmium, a montré des progrès significatifs dans les initiatives solaires en 2023. Avec 801 millions de dollars de revenus et l’expédition de 2,7 GW de commandes de modules solaires en un seul trimestre, l’entreprise démontre une forte croissance et un accent sur la technologie solaire. Pour répondre à la demande croissante, First Solar augmente sa capacité de production tant aux États‑Unis qu’à l’international, visant une capacité mondiale de 25 GW d’ici 2026.

Notamment, First Solar a été pionnière dans la production de modules à couche mince bifaciaux, une première dans l’industrie. Cette technologie innovante permet un gain d’énergie bifacial et des rendements énergétiques plus élevés, marquant une avancée importante dans l’efficacité des modules solaires.

3.  SolarEdge Technologies

(SEDG )

SolarEdge Technologies est largement considérée comme un leader de la technologie énergétique intelligente. Cette entreprise a réalisé des avancées significatives dans le secteur de l’énergie solaire en 2023, affichant des revenus records de 943,9 millions de dollars, dont 908,5 millions provenant spécifiquement de son segment solaire. Cette performance témoigne de la présence robuste de SolarEdge dans l’industrie solaire. Au premier trimestre 2023 seulement, SolarEdge a expédié 3,6 gigawatts (AC) d’onduleurs et 221 MWh de batteries, soulignant sa contribution substantielle au marché de l’énergie solaire.

Mentions notables

Réflexions finales

Les avancées dans la technologie des cellules photovoltaïques, notamment grâce au développement de cellules micrométriques à contacts arrière, représentent un potentiel saut quantique dans l’énergie solaire. Cette innovation améliore non seulement l’efficacité et réduit le coût de l’énergie solaire, mais ouvre également de nouveaux horizons pour son application dans divers secteurs. La réduction de l’effet d’ombrage et l’accent mis sur la miniaturisation sont essentiels pour propulser l’énergie solaire au premier plan des sources d’énergie renouvelable.

Alors que nous adoptons ces avancées technologiques, nous nous rapprochons d’un avenir où une énergie durable et propre généralisée n’est pas seulement une possibilité, mais une réalité.