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Les films photovoltaïques deviennent compétitifs. Leur efficacité et leur coût dépasseront les technologies à base de silicium pur et seront produits partout sur la planète.
Aperçu des films minces
Les cellules photovoltaïques à couches minces sont formées par des dépôts de couches extrêmement fines de matériaux semi-conducteurs photovoltaïques sur un support tel que le plastique, le verre ou l’acier inoxydable. L’épaisseur d’une couche de film mince est de l’ordre de quelques nanomètres, soit plus de 20 fois plus mince que les tranches de silicium les plus fines. Les cellules à couches minces sont moins coûteuses à fabriquer que les cellules cristallines en raison du nombre réduit d’étapes de fabrication, de la quantité réduite de matériaux et de la moindre demande d’énergie. Cependant, elles ne représentent aujourd’hui que 5% de la capacité de production d’énergie. En 2020, la capacité de production d’énergie photovoltaïque était principalement basée sur le silicium cristallin: le mono silicium représentait 120GW, le poly silicium 23GW et les films mince 7,8GW.
La situation pourrait changer rapidement car de multiples technologies à couches minces sont disponibles ou en cours de développement. Les principales technologies à couches minces en cours de développement sont les suivantes:
- Le CdTe: tellurure de cadmium
- Le CIGS: cuivre, indium, gallium et sélénium
- Le a-Si: silicium amorphe
- Le OPV: organique à couche mince
- Le Pérovskites et les cellules tandem à base de pérovskites
- Les composites en couches superposées
Examen des principales technologies à couches minces
Le rendement des modules de base en silicium cristallin est pour l’instant le meilleur parmi les modules PV commerciaux actuels, allant de 17% à 23%. En comparaison, les couches minces de CdTe atteignent 18-19%, et les couches minces de CIGS 12-15%.
Des fabricants chinois ont atteint cette année des rendements de conversion solaire de plus de 25% en utilisant des technologies de silicium cristallin couplées à quelques couches supplémentaires.
Nous résumons ci-dessous le potentiel des principales technologies à couches minces. Pour donner un aperçu de l’avenir à moyen terme, nous examinons les performances en laboratoire plutôt que les performances commerciales.
Les films minces de CdTe et CIGS offrent de meilleures performances à haute température.
Le silicium amorphe, très en vogue dans les années 2000, n’est pratiquement plus utilisé car les prix sont restés élevées et l’efficacité est restée faible.
L’efficacité des films organiques progresse, actuellement autour de 15%, mais leurs durées de vie est faible, de l’ordre de 10 ans. Ils pensent être transparents.
La technologie pérovskite est en plein développement. Elle montre des efficacités élevées de l’ordre de 29% mais ne fonctionnent qu’en très petites dimension pour des problèmes d’électromigration. Pour compenser cela elles sont pour l’instant utilisées en tandem, soit avec du silicium cristallin soit avec d’autres films minces.
La technologie GaAs affiche la meilleure efficacité mais est extrêmement couteuse et réservée aux applications spatiales.
Des films minces pour de multiples applications
De multiples applications sont en cours de développement avec ces diverses technologies:
- Tuiles solaires: elles sont principalement faites en CIGS.
- Fermes solaires: les film CdTe et CIGS peuvent être intéressant grâce à leur meilleure efficacité à autre température
- Installations en toiture: si le silicium reste majoritaire, les films minces peuvent faire sens dans les régions très chaudes ou les situations de faible luminosité
- Intégration dans les bâtiments: le silicium amorphe a été traditionnellement le plus utilisé car il permettait de modeler différentes formes et d’intégrer de la couleur. D’autres films peuvent maintenant être utilisés.
- Applications portables: les technologies CdTe et CIGS sont utilisées pour faire les petits panneaux transportables et pliables
Avec l’augmentation de la production de films minces, les coûts vont baisser et l’efficacité va augmenter.
Nous prévoyons que les films minces seront aussi bien, voire mieux, positionnés à long terme que le silicium cristallin. Cependant, le silicium cristallin progressera également en utilisant moins de silicium (réduction de l’épaisseur) et en ajoutant des couches supplémentaires (de films minces) pour augmenter l’efficacité. Au final, nous aurons probablement des technologies mixtes, utilisant des combinaisons de différentes couches pour capter autant de longueurs d’onde différentes que possible et assurer une mobilité optimale des électrons.
Les panneaux à couches minces sont l’avenir de l’industrie solaire
Efficacité en hausse
Comme détaillé précédemment, l’innovation en matière de films minces est en plein essor. Nous pensons que ceux-ci vont jouer un rôle important dans les années à venir. Ils nécessitent moins de matériaux, sont moins chers, ne contiennent pas d’éléments toxiques et génèrent moins de déchets que le silicium cristallin. Ils réduisent la dépendance à la chine du silicium cristallin. À court terme, deux technologies principales vont coexister. Les films CdTe (principalement) et CIGS seront utilisés directement avec un bon rendement comme panneaux photovoltaïques autonomes. Dans le même temps, le CdTe et d’autres films seront utilisés pour augmenter l’efficacité de 1% à 10% des panneaux solaires classiques en silicium cristallin. À moyen terme, d’autres technologies de films minces atteindront un niveau d’efficacité suffisamment bon et pourraient remplacer le silicium cristallin.
L’American Solar Energy Society a déclaré le mois dernier « les panneaux à films minces sont l’avenir de l’industrie solaire ».
Le ministère américain de l’énergie (DOE) a annoncé son objectif de réduire le prix de l’énergie solaire de 60% au cours de la prochaine décennie et soutiendra les films pérovskites et CdTe à travers un premier financement de 63 millions de dollars.
Part de marché des fims minces
Au début des années 2000, le silicium amorphe était le seul film photovoltaïque disponible, mais les films CdTe et CIGS ont depuis pris le dessus (en raison de leur efficacité bien supérieure).
La part de marché des films minces (5% en 2020) devrait être multipliée par 2,5 entre 2020 et 2030 (soit un TCAC de 19%), le CdTe étant le segment qui connaît la croissance la plus rapide. À l’heure actuelle, les fermes solaires sont les principales applications des films minces, suivies des applications commerciales et résidentielles. Ces trois segments sont appelés à se développer, mais les fermes solaires mèneront la course. En outre, les applications architecturales vont se développer.
Les films photovoltaïques, une de nos convictions de longue date
La production d’énergie solaire est l’une de nos plus grandes convictions, représentant plus de 20% de notre stratégie ‘sustainable future’. Nous sommes exposés aux acteurs du segment des films minces depuis longtemps. First Solar, le premier producteur américain de films CdTe, fait partie de notre portefeuille depuis le début de la stratégie. Ses capacités de production pour 2022 et 2023 sont déjà entièrement réservées, et l’entreprise investit pour doubler sa production à 16 GW/an d’ici 2024. Nous renforçons ce segment, en surveillant de près toutes les innovations à venir qui pourraient affecter le marché solaire afin de capter pleinement la croissance de ce secteur.
Catalyseurs
Augmentation de la demande d’énergie propre. Le recyclage des panneaux en silicium cristallin est un process complexe, tandis que les films minces utilisent moins de matériaux et seront plus faciles à gérer.
Innovation, performance et coût. Certains films minces concurrencent déjà les cellules en silicium cristallin, et d’autres améliorations sont en cours. Les films vont être moins chers.
Droits de douane sur les importations de c-Si. La pénurie d’approvisionnement, les taxes actuelles et la récente enquête d’anti-dumping créent des opportunités de développement de la technologie des couches minces.
Risques
Amélioration du silicium cristallin. De nombreuses innovations stimulent les technologies c-Si, soit en réduisant l’épaisseur du silicium, soit en ajoutant des couches supplémentaires pour améliorer le rendement. Les films minces pourraient être confrontés à une concurrence plus forte que prévu. D’un autre côté, les films minces feront partie des couches ajoutées au c-Si.
Difficultés de recyclage. Alors que les films minces utilisent moins de composants critiques, la multiplication des couches pourrait complexifier le processus de recyclage.
Un dumping massif en Asie. La Chine, qui contrôle la production de silicium, pourrait décider de réduire les prix pour entraver la croissance des films minces.