L’avenir des couches minces à base de silicium amorphe

Face à l’objectif européen de 20% d’énergies renouvelables dans la consommation énergétique totale de l’Union d’ici 2020, la société de conseil Alcimed a étudié plus spécifiquement le cas d’une cleantech, le photovoltaïque.

Son potentiel de développement repose essentiellement sur deux technologies à base aujourd’hui de silicium : le silicium cristallin et le silicium amorphe.

Vendredi, les chefs d’Etat européens ont confirmé l’objectif de porter à 20% la part d’énergie renouvelable dans le bouquet énergétique. Cet objectif ambitieux (la part d’énergies renouvelables étant aujourd’hui de 8,5%) nécessitera de miser tant sur les technologies établies que sur les filières proches de la maturité mais encore peu exploitées aujourd’hui.

A cet égard, l’industrie photovoltaïque constitue un formidable levier dans le domaine des cleantechs. Elle repose aujourd’hui essentiellement sur les technologies à base de silicium (cristallin et amorphe). Le silicium cristallin, technologie établie et aujourd’hui mature, domine très largement avec près de 90% de parts de marché, et le silicium amorphe présente des atouts importants pouvant en faire un puissant relais de croissance pour le photovoltaïque.

La principale différence entre ces deux technologies, toutes deux basées sur le silicium, réside dans la structuration des cellules photovoltaïque, et par conséquent dans les procédés de fabrication : alors que les cellules photovoltaïques à base de silicium cristallin sont constituées de couches de silicium ordonné, ce qui nécessite un procédé lourd et coûteux, les couches de silicium amorphe présentent une structure désordonnée. En raison d’un coefficient d’absorption de la lumière du spectre solaire nettement plus élevé, l’épaisseur de la couche de silicium amorphe est considérablement réduite : il est déposé en « couche mince », une épaisseur 300 à 400 fois moindre que celle d’une cellule à base de silicium cristallin. Le procédé de fabrication des cellules à base de silicium amorphe présente le triple avantage d’être moins complexe, moins énergivore et de consommer nettement moins de matières premières que le procédé de purification multi-étapes de production des cellules en silicium cristallin.

On peut alors s’interroger sur les raisons de la nette prédominance du cristallin.

La différence de rendement entre les deux technologies est a priori souvent évoquée : « Les systèmes photovoltaïques à base de silicium cristallin atteignent des rendements d’environ 15%, une valeur à diviser par deux pour le silicium amorphe », rappelle Christian Oeser, consultant au sein de l’activité Energie d’Alcimed.

En réalité, la domination du cristallin s’explique également par l’historique du photovoltaïque. En effet, le développement du photovoltaïque dans les années 1960 s’est appuyé sur celui de l’industrie des semi-conducteurs (qui nécessite du silicium cristallin ultra pur), tandis que les techniques de production de couches minces n’étaient que très peu connues. Jusqu’au boom relativement récent du photovoltaïque, le silicium utilisé pour les cellules était ainsi majoritairement issu des rebuts de l’électronique. Les cellules à base de silicium cristallin ont progressivement gagné en rendement au fur et à mesure de leur développement, la filière plus récente de l’amorphe n’ayant pas encore connu une telle courbe d’apprentissage et de développement.

Le déficit de rendement du silicium amorphe peut être comblé en augmentant la surface des couches minces. Les systèmes à base de silicium cristallin sont déployés à grande échelle, tandis que les couches minces sont encore majoritairement utilisées dans des applications de petite puissance comme des calculatrices ou des montres. Pourtant, malgré son plus bas rendement, la filière amorphe devient compétitive dans les cas où de grands espaces sont disponibles.

« Pour une capacité installée donnée, la surface requise en couches minces est proche du double de celle d’un système à base de silicium cristallin. Cependant, grâce aux coûts de production nettement moins élevés, la solution couche mince ne coûte pas plus cher », résume Christian Oeser.

Les toitures industrielles constituent un exemple d’application particulièrement pertinente pour le silicium amorphe. Différents projets voient le jour, comme par exemple l’installation de 10 000m2 de couches minces sur le toit d’une plateforme logistique à Sénart en Seine-et-Marne.

De plus, la légèreté des couches minces permet d’éviter l’installation d’une structure supplémentaire de renforcement du toit, nécessaire au soutien des modules cadrés en silicium cristallin. Les couches minces sont ainsi livrées en rouleaux et collées directement sur le toit.
Enfin, dernier argument en faveur de l’amorphe pour les toitures industrielles, les couches minces sont moins sensibles à une occultation partielle de la surface ou à des températures externes élevées que le silicium cristallin.

Les couches minces à base de silicium amorphe représentent donc une technologie photovoltaïque à fort potentiel. Il ne faut pas non plus oublier les autres filières en développement, peu connues comme par exemple des couches minces à base de tellure de cadmium ou de matériaux organiques.

« Dans un contexte de soutien politique marqué, nul doute que l’industrie en pleine croissance de l’énergie photovoltaïque connaîtra une montée en puissance des couches minces en silicium amorphe. On peut d’ailleurs estimer que ses parts de marché dans le photovoltaïque, actuellement d’environ 5%, vont au moins doubler d’ici 2020 », conclut Vanessa Godefroy, responsable de l’activité Energie d’Alcimed.