L’énergie solaire est la puissance la moins chère

L’énergie solaire est l’énergie la moins chère, et un moment littéral d’ampoule nous a montré que nous pouvons réduire encore plus les coûts et les émissions.
Les récentes conditions météorologiques extrêmes ont mis en évidence la nécessité de réduire les émissions de CO2, qui entraînent une hausse des températures mondiales. Cela nécessite une transformation rapide du secteur de l’énergie vers les sources d’énergie renouvelables, le solaire photovoltaïque étant le moins cher (PV). Et notre étude récemment publiée suggère que nous pouvons réduire davantage le coût de la transition en utilisant des types de silicium moins chers dans des panneaux solaires très efficaces.

L’Australie a été un pionnier dans les installations solaires photovoltaïques, mais notre voyage vers l’énergie solaire ne fait que commencer. Cette année, la capacité solaire installée de l’humanité a atteint 1 térawatt (TW), soit 1 million 1 million de watts. Cependant, les analystes estiment que 70 TW d’énergie solaire photovoltaïque pourraient être nécessaires pour alimenter l’ensemble de l’économie d’ici 2050.

Pour faciliter cette adoption rapide du solaire photovoltaïque, nous avons besoin de panneaux solaires avec une grande efficacité et un faible coût. Au cours de la dernière décennie, des conceptions innovantes de cellules solaires ont abouti à une efficacité record.

Le problème est que ces conceptions nécessitent des matériaux plus coûteux et de meilleure qualité.
Des recherches récentes indiquent que nous pourrions être en mesure de repenser le type de silicium nécessaire à la production de ces cellules solaires à haut rendement.

Tous les siliciums ne sont pas égaux
Plus de quatre-vingt-quinze pour cent des panneaux solaires sont composés de silicium. Le silicium utilisé dans les cellules solaires est comparable au silicium utilisé dans les processeurs informatiques. C’est essentiellement du sable extrêmement pur.

Pour faire fonctionner une cellule solaire, nous devons établir un champ électrique de sorte que le courant généré circule dans une seule direction. Ceci est accompli par l’ajout d’atomes d’impureté au silicium, un processus connu sous le nom de « dopage ».
Dans la fabrication de panneaux commerciaux, le silicium de type « p » est le type de silicium le plus souvent utilisé

Ce matériau est dopé avec des atomes contenant un électron de moins que le silicium, comme le bore et, plus récemment, le gallium.
La surface peut ensuite être recouverte d’une très fine couche d’atomes de silicium de type n, qui ont un électron supplémentaire par rapport au silicium. La combinaison de ces deux types de silicium crée ce que l’on appelle une « jonction p-n ».

La grande disparité dans la quantité d’électrons entre les régions de type p et de type n encourage les électrons à circuler rapidement, générant un champ électrique qui génère le courant dans notre cellule solaire.

Le silicium de type P, qui est environ 10% moins cher que le silicium alternatif de type N dopé au phosphore, est utilisé dans la grande majorité des panneaux solaires conventionnels sur les toits australiens aujourd’hui.
Une plus grande efficacité a un prix.
Les chercheurs tentent constamment d’augmenter l’efficacité des panneaux solaires afin qu’ils puissent générer plus d’énergie pour les utilisateurs. En 2017, un record d’efficacité des cellules solaires en silicium de 26,7% a été atteint.

Le mois dernier, LONGi Solar a annoncé un rendement de 26,5%, ce qui est extrêmement proche du record mondial, pour le même type de cellule solaire produite dans un environnement de fabrication par opposition à un laboratoire.
Le nom de ce type de cellule solaire est « hétérojonction de silicium ». Les cellules solaires à hétérojonction de silicium se distinguent par leur revêtement de surface en silicium amorphe, qui est environ 1 000 fois plus mince qu’un cheveu humain.

Ce revêtement mince affine la surface et minimise considérablement les pertes d’énergie.

Dans les années 1990, Sanyo a créé cette architecture cellulaire. Même si ces plaquettes sont plus chères, des plaquettes de silicium de type n de haute qualité ont été utilisées pour créer des cellules d’hétérojonction de silicium à l’époque.
C’est principalement parce que la lumière du soleil dégrade les plaquettes de type p peu coûteuses. Depuis les années 1990, notre compréhension de cette maladie et de la façon de la traiter a considérablement progressé.
Notre moment « eureka ! »

Toutes les cellules solaires à hétérojonction de silicium, y compris les cellules record, ont été fabriquées avec des plaquettes de silicium de type n au cours des trois décennies précédentes. Dans notre enquête, nous voulions déterminer si des plaquettes de type p moins chères pourraient également être utilisées.

Nous avons découvert grâce à des tests approfondis que les cellules solaires à hétérojonction fabriquées avec du silicium de type p fonctionnaient mal. Nous avons été mystifiés par cela. Mais un jour, nous avons vécu un moment d’épiphanie.

Nous avons découvert qu’une exposition involontaire à l’éclairage de la pièce pendant aussi peu que dix secondes avant les tests peut faire baisser la tension des cellules de type p jusqu’à 30 mV, diminuant ainsi leur efficacité d’un point de pourcentage (de 22% à 21%). Cela a entraîné un fonctionnement de nos cellules significativement pire que prévu.

Ces cellules solaires à hétérojonction de silicium à haut rendement construites à l’aide de plaquettes de type p sont significativement plus sensibles à la détérioration induite par la lumière, tout comme une personne souffrant d’allergies graves est plus sensible au pollen au printemps.

Problème identifié, nous avons maintenant la solution
Nous pensons que cette observation explique pourquoi les cellules à haut rendement étaient auparavant exclusivement étudiées à l’aide de silicium coûteux. Dans le passé, les chercheurs ignoraient la sensibilité des plaquettes de type p à la dégradation et manquaient de connaissances pour la combattre.
Heureusement, nous comprenons maintenant que cette dégradation est causée par la liaison du bore et de l’oxygène indésirable dans la plaquette de silicium. Il a été démontré que les traitements avec un laser de haute intensité peuvent stabiliser les cellules en quelques secondes.

La lumière laser peut rendre l’hydrogène déjà flottant dans le silicium plus mobile, ce qui lui permet de « passiver » les défauts indésirables bore-oxygène. Le mécanisme exact par lequel l’hydrogène accomplit cela fait encore l’objet de recherches actuelles, mais nous savons qu’il résout le problème. Notre étude démontre qu’un bref traitement au laser peut stabiliser les performances des cellules solaires à hétérojonction de silicium de type p.

Avec ces nouvelles informations, nous pouvons continuer à construire des technologies à haut rendement qui utilisent des matières premières moins coûteuses. Cela réduira le coût de chaque watt d’énergie solaire générée. En mars de cette année, le fabricant de panneaux solaires LONGi Solar a affirmé qu’une cellule solaire à hétérojonction de silicium construite à l’aide de plaquettes de type p avait un rendement de 25,47%.

Le fait que les fabricants produisent des cellules solaires à haut rendement qui sont peut-être moins chères indique que nos découvertes ont un effet pratique sur l’industrie. Réduire le prix des cellules solaires réduira le prix de l’électricité pour des millions d’utilisateurs tout en luttant contre le changement climatique.