Source : nsenergybusiness.com
Oxford PV deviendra la première entreprise à vendre des cellules solaires à base de pérovskite-silicium sur le marché des toits résidentiels l’année prochaine.
Oxford PV utilise un concept « tandem » dans lequel un film mince de pérovskite est appliqué à une cellule primaire en silicium conventionnelle (Crédit: Oxford PV)
Oxford PV, qui se décrit comme « la société de pérovskite », prévoit d’être un acteur clé dans ce qu’elle considère comme l’avenir entièrement électrique à énergie solaire. James Varley, rédacteur pour le magazine Modern Power Systems, examine comment l’entreprise vise à atteindre cet objectif.
L’année prochaine, si tout se passe comme prévu, Oxford PV deviendra la première entreprise à vendre des cellules solaires à base de silicium à pérovskite sur le marché résidentiel des toits. Ils auront une efficacité potentiellement révolutionnaire, environ 20% plus élevée que la technologie actuelle, les cellules en silicium uniquement.
Oxford PV utilise un concept de « tandem » dans lequel un film mince de pérovskite est appliqué à une cellule primaire (ou inférieure) conventionnelle en silicium (l’épaisseur de la pérovskite étant d’environ 1/200e de celle du silicium).
Cette approche en tandem améliore la capacité de capturer des parties spécifiques du spectre solaire, en particulier à l’extrémité bleue à haute énergie, ce qui signifie que la cellule tandem pérovskite sur silicium a une limite d’efficacité théorique de 43% vs 29% pour les cellules en silicium uniquement.
En pratique, l’efficacité moyenne du silicium photovoltaïque résidentiel installé à ce jour est de l’ordre de 15 à 20%, tandis que le maximum « réel » pour le silicium est estimé à environ 26%.
Les premières cellules tandem photovoltaïques d’Oxford produites commercialement devraient atteindre une efficacité d’environ 27% au départ, mais la société prévoit des améliorations constantes à mesure que la technologie se développera dans les années à venir. « Nous avons une feuille de route claire pour amener cette technologie au-delà de 30% », déclare le PDG Frank Averdung.
Le Dr Chris Case, CTO chez Oxford PV, note que depuis 2014, lorsque la société a décidé de se concentrer exclusivement sur le tandem pérovskite-Si, elle a augmenté l’efficacité de sa cellule solaire d’environ un point de pourcentage par an en moyenne et dispose d’un chemin et des bases théoriques pour développer davantage cette technologie jusqu’aux années 30.
Une cellule de recherche utilisant la technologie PV d’Oxford a déjà atteint 29,52% (tel que certifié par le National Renewable Energy Laboratory des États-Unis), un record mondial pour les cellules tandem pérovskite-Si et aussi mieux que n’importe quelle cellule de recherche à jonction unique (pour laquelle le record actuel, 29,2%, est détenu par une cellule utilisant gaas).
La pérovskite a été découverte pour la première fois sous sa forme minérale naturelle (CaTiO3) en 1839 (par coïncidence, la même année que l’effet photovoltaïque a été observé pour la première fois, souligne Chris Case). Mais ce n’est qu’au cours des dix dernières années environ que l’énorme potentiel des pérovskites synthétiques en tant que matériau pour les cellules solaires a été pleinement reconnu.
Le professeur Henry Snaith, qui a cofondé Oxford PV en 2010 pour commercialiser la technologie solaire transférée de son laboratoire de l’Université d’Oxford (et est le directeur scientifique de l’entreprise), a joué un rôle clé à cet égard, notamment via un article publié dans Science en 2012, décrivant une technologie viable de cellules solaires à semi-conducteurs utilisant de la pérovskite aux halogénures métalliques.
Les progrès au cours des 10 dernières années ont été remarquablement rapides et les pérovskites suscitent un intérêt croissant pour le champ solaire.
Comme tous les matériaux utilisés dans les applications de cellules solaires, les pérovskites – pour lesquelles la formule chimique générique est ABX3, où A et B sont des cations et X sont l’anion – sont des semi-conducteurs.
« Les pérovskites seront omniprésentes en photonique et en électronique pour les 50 à 100 prochaines années », estime Chris Case. « C’est un matériau aussi époustouflant. »
Du point de vue de la science des matériaux, « il y a un caractère unique, c’est pourquoi c’est si bon », ajoute-t-il. « Chacun des atomes est orienté comme un ensemble d’octaèdres qui sont empilés les uns sur les autres et tordus. Cette torsion permet une diffusion de photocourants élevés « anormale », et c’est à peu près unique à cette structure, et les gens exploitent cette propriété ... Ce genre de choses est génial, c’est incroyablement transformateur.
En outre, les matériaux utilisés pour les pérovskites synthétiques sont abondants et la quantité utilisée par unité de sortie de cellule est très faible. « Ainsi, du point de vue des ressources, la technologie est capable d’être mise à l’échelle au niveau de nombreux TW », explique Case.
En plus de démontrer une efficacité record, les cellules et les modules utilisant la technologie PHOTOVOLTAÏQUE d’Oxford ont également « passé les tests de fiabilité standard de l’industrie mesurés de l’extérieur par la Commission électrotechnique internationale », ajoute-t-il.
La route vers le marché
« Les scientifiques ont fait leur travail », dit Frank Averdung. « Ils ont identifié le matériel. Ils ont fait la structure. Ils ont travaillé à le rendre stable et ont répondu aux préoccupations concernant la durabilité et la durée de vie. La question à laquelle nous devons trouver une réponse maintenant est la suivante: comment pouvons-nous la commercialiser? »
Le défi est un défi auquel sont confrontées à peu près toutes les start-up avec quelque chose de nouveau, dit-il. « Vous avez un marché établi. Vous avez établi des acteurs du marché. Vous avez quelque chose de beaucoup mieux. Mais comment amener les gens à l’adopter? Comment y par arrivez-vous?
Comme il le souligne, les acteurs établis sont des entreprises de plusieurs milliards de dollars et ils ont investi des milliards dans une infrastructure de fabrication. « Sont-ils vraiment intéressés à abandonner tout cela et à faire quelque chose de nouveau? », demande Averdung.
La bonne nouvelle est que la technologie en tandem PV d’Oxford, avec le silicium comme cellule primaire, ne nécessite pas l’abandon de la technologie de fabrication existante et « ne perturbe pas l’industrie », ce qui est un avantage majeur.
« Lorsque nous mettons une cellule à pérovskite à film mince sur le dessus de la cellule « primaire » en silicium, elle a toujours le même facteur de forme et ressemble toujours à une cellule Si conventionnelle, mais la tension de sortie est plus élevée », explique Averdung. « Vous pouvez utiliser les mêmes outils et les insérer dans les mêmes modules. La taille du panneau est la même. Tout est pareil. Mais vous obtenez beaucoup plus de puissance.
En termes d’apparence, l’utilisateur final ne remarquera aucune différence majeure, sauf qu’il « aura l’air un peu plus agréable », ajoute-t-il.
En 2015, Oxford PV a démontré que la cellule tandem était faisable, mais devait « l’amener au facteur de forme requis », explique-t-il, ce qui nécessitait une ligne de production pilote ou une « usine d’occasion ».
Une telle usine a été trouvée dans le Brandebourg an der Havel, en Allemagne, et acquise en 2016. « C’était beaucoup trop grand pour nous cette fois-là, mais c’était un ajustement parfait pour notre ligne pilote à couche mince », qui était opérationnelle en 2017 », explique Averdung.
« Le rôle de la ligne pilote était, et est toujours, essentiellement l’optimisation des produits, en prenant tous les résultats du laboratoire d’Oxford et en les mettant à l’échelle en fonction du facteur de forme et en effectuant des tests standard de l’industrie pour vérifier que les cellules atteignent la fiabilité requise et la stabilité à long terme, et répondent aux besoins de l’industrie. »
Pendant quelques années, Oxford PV a travaillé avec un partenaire de développement conjoint, une très grande entreprise dans le secteur photovoltaïque, « en nous disant essentiellement ce que l’industrie voudrait », dit Averdung.
Mais en 2018, il ajoute que « tout cela a changé », et la société a décidé que « la meilleure et la plus rapide voie vers la commercialisation de la technologie serait de le faire nous-mêmes, nous permettant de garder tous les paramètres de la technologie sous notre contrôle afin que nous puissions être certains que le produit, quand il est venu sur le marché était parfaitement adapté aux demandes des clients ».
Cela obligeait l’entreprise à trouver des investisseurs qui y mettraient de l’argent, ce qui lui permettrait de mettre en place une opération de fabrication. « Nous avons eu de la chance », dit Averdung, car un certain nombre d’investisseurs favorables ont été trouvés. Les principaux actionnaires de la société comprennent maintenant Equinor, Legal &General Capital, Goldwind et Meyer-Burger.
L’argent mis dans l’entreprise par les investisseurs a permis de moderniser l’usine de Brandebourg précédemment acquise et, en plus de la ligne pilote déjà là, d’établir une ligne de fabrication complète de cellules tandem dans une autre partie de l’installation.
Il s’agira de la première ligne de fabrication en volume au monde de cellules solaires tandem à pérovskite sur silicium et devrait atteindre une capacité cible initiale de 100 mégawatts (MW) vers le 2e trimestre de l’année prochaine.
Les cellules sont vendues à des fabricants de modules (des arrangements sont déjà en place), et le marché cible initial est le secteur des toits résidentiels « haut de gamme ». Dans ce segment du marché, l’espace est une contrainte critique et la densité de puissance accrue fournie par la cellule tandem PV d’Oxford est particulièrement attrayante.
Avec beaucoup plus d’électricité produite au cours de la durée de vie de l’installation, il y a une volonté de payer des primes substantielles pour les modules à haut rendement, estime Oxford PV.
Averdung souligne que les coûts des cellules représentent une proportion relativement faible des coûts totaux d’une installation photovoltaïque résidentielle sur le toit, de sorte que l’augmentation des coûts des cellules n’a qu’un effet relativement faible sur l’économie globale par rapport aux avantages d’une production accrue.
Vers la gigafactory
La ligne de fabrication de 100 MW et le marché des toits résidentiels ne sont considérés que comme un début. La vision d’Oxford PV est un monde entièrement électrique avec des pérovskites en tant que technologie solaire grand public. On espère que le dernier cycle de financement de l’entreprise lui donnera « les moyens de planifier la prochaine étape, qui est une gigafactory », dit Averdung.
Il espère avoir 2 gigawatts (GW) de capacité de production en service d’ici la fin de 2024 ou à peu près, puis ajouter environ 2GW par an, atteignant plus de 10GW d’ici la fin de la décennie.
Au départ, le marché cible est, comme nous l’avons déjà mentionné, le toit résidentiel haut de gamme, mais « cela changera une fois que nous entrerons dans la production à l’échelle GW, alors nous serons en mesure de nous adresser, en outre, au secteur des toits à petite taille commerciale », dit Averdung, et « dès que nous passerons à 5GW et au-delà, l’échelle des services publics est à portée de main ».
À l’échelle des services publics, « tout est une question de LCOE », observe-t-il, « en supposant que le coût de votre terrain est gérable », et à une capacité de production de 5 GW,«notre LCOE sera plus compétitif que celui de n’importe qui d’autre, mais cela prendra quelques années, bien sûr ».
Au final, « nous avons l’intention de devenir l’un des acteurs majeurs du photovoltaïque », déclare Averdung. Et maîtriser ce que Chris Case appelle la « magie » des pérovskites pourrait s’avérer être la clé pour réaliser cette ambition.