Après les batteries et l’hydrogène, le solaire photovoltaïque ? C’est en tous cas l’ambition de la Commission européenne, qui lance ce vendredi 9 décembre l’Alliance européenne pour l’industrie solaire. Annoncée en octobre dans le cadre du plan Repower EU, cette dernière est portée par l’accélérateur européen EIT InnoEnergy et plusieurs organisations d’industriels du secteur afin de «construire le cadre de la réindustrialisation de l’Europe dans le photovoltaïque avec pour objectif de faire émerger 30 GW de capacités manufacturières dans le solaire d’ici 2025», explique le PDG de l’Institut Photovoltaïque d’Ile-de-France, Roch Drozdowski-Strehl, à l’Usine Nouvelle. Un objectif ambitieux, poussé par "l’électrochoc" de l’Inflation Reduction Act américain et la volonté de «faire en sorte que l’Europe puisse se battre à armes égales avec les Etats-Unis, la Chine ou l’Inde», espère l’industriel. Il souligne que la crise énergétique et les prévisions de croissance des renouvelables, encore revue à la hausse par l’Agence internationale de l’énergie le 6 décembre, «ont fait tourné tous les regards vers le monde du solaire, qui ressort comme le grand gagnant de la période.»
«Le solaire a longtemps eu mauvaise presse en France, mais le CEA y croit. Nous misons depuis des années sur l’hétérojonction. » Dans un couloir vitré en surplomb de la salle de production de cellules photovoltaïques, Franck Barruel, le responsable de projets stratégiques du CEA-Ines, à Chambéry (Savoie), défend depuis longtemps le photovoltaïque, et le choix technologique fait par son organisme de recherche. En contrebas, des machines de texturation chimique, de dépôt en phase vapeur assisté par plasma et de pose de connecteurs fonctionnent en deux-huit. Elles produisent 30 à 40 mégawatts de cellules à hétérojonction par an. Des carrés bleu nuit, striés de fines bandes argentées, qui permettront d’assembler quelques dizaines de milliers de panneaux… et de prouver que les méthodes du CEA sont compatibles avec l’échelle industrielle, à des performances et des coûts qui pourraient replacer la France et l'Europe, dans l’industrie solaire mondiale.
Plus de 200 GW installés en 2022
Le moment est crucial pour la filière. D’abord, le marché mondial explose. Selon le cabinet BloombergNEF, la barre de 200 gigawatts (GW) de nouveaux panneaux installés sera franchie en 2022… Contre 18 GW en 2010 et plus de 600 GW attendus en 2030 ! Ensuite, la dépendance à la Chine – qui produit 85 % des cellules et 75 % des modules – est de plus en plus critiquée alors que la France cherche à regagner sa souveraineté industrielle. D’où l’émergence de projets dans l’Hexagone, que ce soit dans l’assemblage de panneaux complets (les modules), où existent déjà de petits acteurs, ou dans la fabrication de cellules. Ces petits dispositifs capables de transformer l’énergie solaire en électrons, sont mis en série pour former le cœur des systèmes photovoltaïques, que la France ne produit pas aujourd’hui.
« Il n’y a pas le choix, tranche le directeur du CEA-Ines, Anis Jouini. Le marché est là, colossal, et il faut créer les conditions pour faire émerger une industrie. » Si celle-ci ne devra pas manquer le virage des couches minces et des cellules tandems [voir le schéma page 145], au cœur des futurs marchés, le premier combat porte sur les nouvelles générations de cellules en silicium. Pour tous les experts, ce métal abondant, à la base de la quasi-totalité des cellules actuelles, restera roi au moins une décennie. Avec des architectures émergentes, plus complexes et performantes, qui offrent une carte à jouer à de nouveaux entrants face au rouleau compresseur chinois.
La première est celle de l’hétérojonction, que porte le CEA. En recouvrant du silicium cristallin de deux fines couches de silicium amorphe (d’ordinaire absent des cellules classiques), ce type de cellule affiche de hauts rendements. « Elle produit davantage de puissance par mètre carré et permet de gagner sur le paramètre foncier », explique Anis Jouini. Alors que le rendement des cellules d’aujourd’hui plafonne à 20-22 %, celui de ce sandwich de siliciums se rapproche déjà de 25 %, résiste aux fortes chaleurs et réduit la quantité de silicium utilisé. De quoi en faire une option attrayante pour des industriels en Asie ou en Europe, où le CEA travaille avec l’italien Enel et le norvégien Rec Solar. Le premier prévoit une gigafactory en Sicile d’ici à 2024, tandis que le second, filiale de l’indien Reliance, doit encore confirmer un investissement en Moselle.
Vers les cellules tandems
Dans la bataille des cellules en silicium de nouvelle génération, l’hétérojonction fait face à une grande rivale : le Topcon. Cette cellule, dont le nom désigne les « contacts passivés à oxyde tunnel » qui lui servent à récolter un maximum des électrons excités par le soleil au sein du silicium, est portée en France par la start-up Carbon.« C’est une évolution technologique incrémentale par rapport à ce que tout le monde fait aujourd’hui : le Perc. Cela permet de bénéficier de l’expérience acquise et des machines actuelles, en les adaptant mais sans tout réinventer », argue Gaëtan Masson, le directeur du cabinet Becquerel Institute, partenaire de Carbon. Pour bénéficier d’économies d’échelle, la start-up prévoit de produire 5 GW de panneaux d’ici à 2025, dont un quart sera IBC, un acronyme désignant l’utilisation de « contacts arrières entrecroisés ». Une architecture ultra-complexe, dont l’américain Sunpower est le champion et qui permet de placer les grilles de récolte des charges électriques à l’arrière de la cellule afin d’obtenir une élégante face avant. Haut de gamme et bien plus chère.
Entre l’hétérojonction et le Topcon, difficile de savoir quel pari paiera pour l’industrie européenne. D’autant que le marché, très compétitif, évolue vite et se jouera aussi sur la compatibilité des cellules silicium avec les technologies de demain. En ligne de mire, la gamme des « couches minces ». Des cellules non plus gravées sur une plaque de silicium (le wafer), mais faites de matériaux tellement performants que quelques microns suffisent pour capter l’énergie solaire. De quoi produire de nouvelles cellules, mais surtout les déposer sur le silicium existant pour créer des « tandems » et dépasser la limite théorique du silicium – qui ne peut capter que 29 % du spectre lumineux – sans changement industriel majeur. À l’été 2022, un prototype de l’École polytechnique fédérale de Lausanne atteignait 31,25 %… mais sur une cellule d’un petit centimètre de côté, bien loin de la norme actuelle de 15 à 20 centimètres.
Si une multitude de matériaux peuvent être déposés en couche mince, le favori du moment se nomme pérovskite. « C’est un matériau hybride un peu magique, apparu en 2012 dans le solaire », explique le chimiste spécialiste du photovoltaïque Daniel Lincot. Ses propriétés et ses progrès ultrarapides en laboratoire ont poussé l’Institut photovoltaïque d’Ile-de-France (IPVF) à en faire « son fer de lance ». Un choix partagé par le polonais Saule Technologies et le britannique Oxford PV, mais qui nécessitera que ces cellules, qui contiennent du plomb, prouvent leur innocuité et leur stabilité dans le temps avant d’être déployées industriellement. « Des cellules à pérovskites seront produites et commercialisées à l’horizon de trois ans », balaie le directeur de l’IPVF, Roch Drozdowski-Strehl, qui enjoint à ne pas perdre de temps sur le sujet. L’Institut a présenté début novembre un projet de giga-usine de tandems silicium-pérosvkite, aux côtés de l’assembleur alsacien Voltec Solar [lire ci-dessus].
Vers des panneaux souples
L’actualité outre-Atlantique encourage les projets industriels sur les couches minces. Notamment le succès de l’américain First Solar, qui bénéficie depuis quelques années d’un engouement pour ses cellules en cadmium telluride (CdTe) et prévoit de produire plus de 20 GW de panneaux en 2025. De quoi motiver d’autres expérimentations, à l’instar de celle de la jeune pousse tricolore Soy PV, qui mise sur le CIGS, un assemblage de cuivre, d’indium, de gallium et de sélénium, dont les performances « ouvrent de multiples fenêtres d’opportunité pour mettre du solaire partout », considère Daniel Lincot, qui a cofondé la start-up. Si les pépites américaine Solyndra et japonaise Solar Frontier s’y sont cassé les dents, lui compte travailler la stabilité de l’alliage et l’assemblage des cellules sous forme de panneaux souples pour remporter son pari.
« Les couches minces comme le CIGS peuvent s’intégrer dans des tandems, mais permettent aussi des systèmes légers et flexibles pour viser les marchés du “PV skin” [peau photovoltaïque, ndlr], en déposant les cellules sur un matériau de type couverture de survie pour affranchir totalement le solaire de la contrainte du poids », anticipe Daniel Lincot. Le chimiste veut travailler avec la start-up spécialiste des voiles solaires Solar Cloth pour créer une « filière française du CIGS » et fabriquer des panneaux souples installés sur des bâtiments ou au sein de structures temporaires, car « faciles à remballer le soir ».
Ce positionnement est déjà celui du champion français des couches minces, Armor. À travers sa filiale Asca, le groupe nantais parie depuis longtemps sur les cellules organiques en couche mince (OPV). Un choix rare, car leurs faibles performances (autour de 6 %, mais davantage en laboratoire) et leur propension à se dégrader ont conduit de nombreux acteurs à s’en détourner. Sans décourager l’ETI, qui souligne la production aisée, par impression, de ses cellules. Capable de produire 1 million de mètres carrés par an depuis 2017, Armor n’en vend aujourd’hui que quelques dizaines de milliers. Mais il multiplie les projets d’ampleur dans des secteurs jusque-là étrangers au photovoltaïque. À Bâle, en Suisse, le nouveau pavillon de la société Novartis présente une façade courbe recouverte de 1 333 m2 de panneaux Asca, chacun équipé de deux diodes alimentées à l’énergie solaire pour pouvoir diffuser d’étranges symphonies colorées. Une offre de niche, mais qui témoigne que dans un marché en pleine explosion, plusieurs paris différents peuvent se retrouver gagnants.
Voltec et l’IPVF imaginent des tandems low-tech
Comment faire face à la course technologique ? Chaque année, le rendement des panneaux solaires croît en moyenne de 0,6 % et les prévisions de marché sont réévaluées à la hausse. Grâce aux économies d’échelle et aux progrès en production, le prix de l’énergie photovoltaïque diminue de 20 à 25 % à chaque fois que la quantité de panneaux fabriqués double. Une dynamique qui favorise les ventes… mais complique la vie des industriels, obligés de suivre le rythme de cette industrie à forte cadence au prix de changements industriels parfois brutaux ! « Les machines sont très onéreuses et doivent être changées tous les deux ans pour suivre le rythme », témoigne Lucas Weiss, le directeur général de Voltec Solar. Pour ne pas entrer dans une course technologique infernale, l’industriel fait fabriquer ses cellules en Chine, où il envoie du silicium raffiné en Europe, peu carboné, pour se positionner sur le créneau des panneaux très bas carbone. Ce pas de côté par rapport aux critères de rendement fait le succès de Voltec et pousse l’industriel à creuser le sillon. Début novembre, il a annoncé s’être associé à l’Institut photovoltaïque d’Ile-de-France (IPVF) pour construire une giga-usine de panneaux solaires tandems, silicium et pérovskite, capable de produire 5 gigawatts à partir de 2030. Comme Voltec ne produit pas ses cellules, il a fait le choix d’une technologie baptisée « tandem 4T », lui permettant de superposer directement deux panneaux, en imprimant un panneau pérovskite sur le verre protégeant la face avant d’un dispositif en silicium. Un choix qui permet d’utiliser des technologies silicium anciennes puisque « superposer deux couches de faible efficacité coûte bien moins cher que de produire une seule couche très performante, mais permet d’atteindre plus de 28 % de rendement », argue Lucas Weiss. Cette stratégie favorise aussi une diminution de l’impact environnemental des panneaux en utilisant du silicium recyclé, que ses impuretés cantonnent à des technologies peu efficaces. De quoi construire en France une filière low-tech et souveraine, espèrent les deux partenaires.
