L'innovation réside dans le procédé de fabrication du matériau « Cuivre, Indium Sélénium » communément appelé CIS, qui constitue les pellicules de semi-conducteurs utilisées pour réaliser les cellules photovoltaïques.
Jusqu'alors réalisé sous vide selon des méthodes onéreuses, le CIS peut désormais être obtenu à pression atmosphérique grâce au procédé électrolytique mis au point par EDF et le CNRS/ENSCP.
Les dispositifs à semi-conducteurs en couches minces, utilisés notamment pour le photovoltaïque sont obtenus majoritairement par des méthodes de dépôt qui donnent directement des matériaux possédant les qualités requises, mais qui restent très onéreuses car réalisées sous vide poussé (i.e. dans une atmosphère d'où a été évacué le plus grand nombre de molécules gazeuses) . Les procédés de dépôt de couches minces à partir de solutions sont de coût bien plus faible. Largement utilisés pour des revêtements métalliques, ils ont toutefois longtemps été considérés comme peu adaptés pour les matériaux de l'électronique.
Le défi relevé avec le procédé CISEL est d'utiliser des techniques de dépôt en solution pour réaliser des couches minces semi-conductrices. Il devient ainsi possible de ''fabriquer des semi-conducteurs dans l'eau''.
La clé de la découverte réside dans la combinaison d'une étape de dépôt électrochimique de diséléniure de cuivre et d'indium (CIS) suivie d'un recuit thermique fonctionnalisant, permettant de conférer à la couche de bonnes propriétés électroniques en tant qu'absorbeur dans les futures cellules.
Ainsi est-on parvenu à remplacer un procédé coûteux en une étape, par un procédé en deux étapes conduisant à des matériaux de qualité voisine permettant un gain considérable sur les coûts de production.
Le potentiel intrinsèque de ce matériau CISEL est actuellement validé sur petites surfaces de 0,1 cm2. Il offre un rendement record de 11,4 % qui devrait atteindre 14 % d'ici la fin du mois de juin 2004. Actuellement de 6% pour des cellules de 30 cmx30 cm, il devrait atteindre 10% sur les cellules de cette taille d'ici six mois.
Le passage à une échelle intermédiaire de 0,1 m2 puis à l'échelle industrielle de 1 m2 est en cours.
Il restera ensuite à vérifier la capacité de ces modules photovoltaïque CISEL à vieillir dans de bonnes conditions, avant de parvenir au stade de l'industrialisation.
Ce procédé présente un triple avantage :
-Il confère de bonnes performances aux cellules photovoltaïques : rendement de conversion supérieur à 10%, grande stabilité chimique.
-Il est bien adapté pour traiter de grandes surfaces telles que des façades en verre ou des verrières de toits.
-Il diminuerait nettement les coûts de fabrication des modules photovoltaïques.
Cette innovation pourrait ainsi favoriser un développement significatif du photovoltaïque dans le bouquet énergétique de demain, dont la part est aujourd'hui très réduite du fait d'un coût de production des modules encore très élevé.
Cette nouvelle technologie résulte des activités de recherche menées en commun par EDF et le CNRS/ENSCP dans le cadre du projet CISEL(Cuivre Indium Sélénium Electrodéposé).
Lancé en 2000, CISEL a bénéficié du soutien financier de l'ADEME et d'une coopération avec Saint-Gobain Recherche.
Ce projet est entré dans une phase nouvelle avec la création, début 2003, d'un laboratoire commun EDF- CNRS/ENSCP qui porte le nom de « Cellules Solaires en Couches Minces » et regroupe 20 chercheurs sur le site EDF de Chatou.
Lancé en janvier 2003, le Projet CISEL se fixe 3 objectifs principaux :
- Poursuivre les efforts de recherche pour optimiser la performance photovoltaïque du CIS électrodéposé encore jugée trop faible, avec l'objectif d'un rendement de 14%.
- Démontrer la faisabilité d'un produit industriel en réalisant un module photovoltaïque de 0,1 m2 avec un rendement de 10 %.
- Définir la stratégie de valorisation industrielle et sa mise en place à horizon juillet 2004.
Les équipes EDF R&D et CNRS/ENSCP constituent le Laboratoire Commun « Cellules Solaires en Couches Minces » et se regroupent sur une plate forme de 600 m2 spécialement construite à cet effet sur le site EDF R&D de Chatou (78).
D'un budget de 5 millions d'Euros sur 18 mois, le projet CISEL est aujourd'hui constitué de 28 personnes : 16 EDF, 10 CNRS/ENSCP, et 2 chercheurs de Saint Gobain Recherche qui collaborent étroitement au développement d'un substrat optimisé. Une dizaine d'experts EDF R&D et CNRS contribuent également au projet, notamment dans le domaine de la caractérisation structurale et chimique des cellules CISEL.
L'effet photovoltaïque (découvert en 1839 par Henri Becquerel) permet la transformation de l'énergie lumineuse en électricité. Ce principe repose sur la technologie des semi-conducteurs. Il consiste à utiliser les photons pour libérer les électrons et créer une différence de potentiel entre les bornes de la cellule qui génère un courant électrique continu.
A la différence des autres énergies renouvelables, l'énergie solaire est disponible partout sur la terre. L'Europe reçoit en moyenne chaque jour 3kWh par mètre carré même si les déserts les plus ensoleillés recueillent 7kWh. Il n'y a donc pas de problème de gisement pour cette source.
Les premières applications ont lieu dès les années 60 avec l'équipement de satellites spatiaux. Puis à partir de 1970, les premières utilisations terrestres ont concerné l'électrification des sites isolés.
La conversion photovoltaïque de l'énergie solaire est apte à répondre à une demande croissante d'énergie renouvelable. Elle est considérée comme devant prendre une part significative dans l'approvisionnement énergétique mondial. Celle ci sera d'autant plus grande et d'autant plus rapide que des méthodes permettant de produire de l'électricité solaire à moindre coût seront utilisées.
La puissance des installations est exprimée en Watt crête (Wc). Le Wc est la puissance fournie par un module photovoltaïque pour un ensoleillement normalisé de 1000W par m2, à une température de 25°C. Le rendement électrique est le rapport puissance lumineuse incidente sur puissance électrique fournie. Les modules existants permettent des rendements électriques compris entre 5 et 15% .
Actuellement le matériau semi-conducteur le plus utilisé est le silicium, sous forme de plaquettes, offrant le meilleur rendement de conversion de l'énergie solaire en électricité. Cependant, sa purification et son traitement conduisent à des coûts très élevés qui constituent un frein important au développement du photovoltaïque.
EDF Recherche et développement mène, pour l'ensemble du groupe EDF, plus de 250 projets de recherche dans les domaines de la Production, du Développement Commercial, des Réseaux et de l'Environnement et des Technologies de l'Information. Les projets sont progressivement évalués par la méthode VAN (valeur actualisée nette) qui permet d'identifier les leviers de création de valeur et ouvre la voie à la valorisation des résultats. La Recherche et Développement d'EDF, c'est :
-Un budget de 424 millions d'Euros, dont 25 % consacrés au domaine transverse de l' environnement.
- 2400 personnes dont 32 % de femmes
-50 doctorants préparent leur thèse au sein d'EDF R&D
Le CNRS est un organisme public de recherche fondamentale, placé sous la tutelle du ministère chargé de la Recherche. Il produit du savoir et met ce savoir au service de la société. Avec 26 136 personnes (dont 11 774 chercheurs et 14 362 ingénieurs, techniciens et administratifs), le CNRS s'appuie sur 1256 unités de recherche et de service, implantées sur l'ensemble du territoire national et représentées au plan international.
L'Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris est une école d'ingénieurs chimistes généralistes. Elle est membre du groupe ParisTech (les 9 grandes écoles d'ingénieurs de Paris et l'Ecole Polytechnique) et de la Fédération Gay-Lussac (les 17 écoles d'ingénieurs de chimie et de génie chimique françaises).
Article publié le 18 décembre 2003
