La plupart des panneaux solaires qui recouvrent aujourd'hui les toits, les champs et les déserts du monde entier partagent le même ingrédient : le silicium cristallin. Ce matériau, fabriqué à partir de polysilicium brut, est façonné en plaquettes et intégré aux cellules solaires, des dispositifs qui convertissent la lumière du soleil en électricité. Récemment, la dépendance de l'industrie à cette technologie singulière est devenue un véritable handicap. Goulots d'étranglement dans la chaîne d'approvisionnementralentissentNouvelles installations solaires dans le monde. Principaux fournisseurs de polysilicium dans la région chinoise du Xinjiang —accusé d'avoir recours au travail forcé des Ouïghours— sont confrontés à des sanctions commerciales américaines.
Heureusement, le silicium cristallin n'est pas le seul matériau capable d'exploiter l'énergie solaire. Aux États-Unis, scientifiques et fabricants s'efforcent d'accroître la production de cellules solaires au tellurure de cadmium. Le tellurure de cadmium est un type de cellule solaire à « couche mince » et, comme son nom l'indique, il est beaucoup plus fin qu'une cellule au silicium traditionnelle. Aujourd'hui, les panneaux utilisant du tellurure de cadmiumfournir environ 40 pour centdu marché américain des services publics et environ 5 % du marché mondial de l'énergie solaire. Ils devraient bénéficier des difficultés rencontrées par l'ensemble du secteur solaire.
« C'est une période très volatile, surtout pour la chaîne d'approvisionnement du silicium cristallin en général », a déclaré Kelsey Goss, analyste en recherche solaire pour le cabinet de conseil en énergie Wood Mackenzie. « Les fabricants de tellurure de cadmium ont un fort potentiel de conquête de parts de marché l'année prochaine. » D'autant plus que le secteur du tellurure de cadmium est déjà en pleine expansion, a-t-elle souligné.
En juin, le fabricant de panneaux solaires First Solar a déclaré qu'ilinvestir 680 millions de dollarsdans une troisième usine solaire au tellurure de cadmium dans le nord-ouest de l'Ohio. Une fois l'usine terminée, en 2025, l'entreprise sera en mesure de produire 6 gigawatts de panneaux solaires dans la région. Cela suffira à alimenter environ 1 million de foyers américains. Une autre entreprise solaire basée dans l'Ohio, Toledo Solar, a récemment fait son entrée sur le marché et fabrique des panneaux au tellurure de cadmium pour les toits résidentiels. En juin, le Département de l'Énergie des États-Unis et son Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) ont annoncé leur intention de produire 6 gigawatts de panneaux solaires dans la région.a lancé un programme de 20 millions de dollarsAccélérer la recherche et développer la chaîne d'approvisionnement en tellurure de cadmium. L'un des objectifs du programme est de contribuer à protéger le marché solaire américain des contraintes d'approvisionnement mondiales.
Les chercheurs du NREL et de First Solar, anciennement appelé Solar Cell Inc., travaillent ensemble depuis le début des années 1990 pour développertechnologie du tellurure de cadmiumLe cadmium et le tellurure sont des sous-produits de la fusion du minerai de zinc et du raffinage du cuivre, respectivement. Alors que les plaquettes de silicium sont assemblées pour former des cellules, le cadmium et le tellurure sont appliqués en fine couche – environ un dixième du diamètre d'un cheveu humain – sur une vitre, avec d'autres matériaux conducteurs d'électricité. First Solar, aujourd'hui le plus grand fabricant mondial de couches minces, a fourni des panneaux pour des installations solaires dans 45 pays.
Cette technologie présente certains avantages par rapport au silicium cristallin, a déclaré Lorelle Mansfield, scientifique au NREL. Par exemple, le procédé à couches minces nécessite moins de matériaux que l'approche à base de plaquettes. La technologie à couches minces est également bien adaptée à la fabrication de panneaux flexibles, comme ceux qui recouvrent les sacs à dos ou les drones, ou qui sont intégrés aux façades et aux fenêtres des bâtiments. Il est important de noter que les panneaux à couches minces sont plus performants à haute température, tandis que les panneaux en silicium peuvent surchauffer et devenir moins efficaces pour produire de l'électricité, a-t-elle ajouté.
Mais le silicium cristallin a l'avantage dans d'autres domaines, comme son rendement moyen, c'est-à-dire le pourcentage de lumière solaire absorbée et convertie en électricité par les panneaux. Historiquement, les panneaux en silicium ont affiché des rendements supérieurs à ceux de la technologie au tellurure de cadmium, même si l'écart se réduit. Aujourd'hui, les panneaux en silicium produits industriellement peuvent atteindre des rendements de18 à 22 pour cent, tandis que First Solar a signalé une efficacité moyenne de 18 pour cent pour ses nouveaux panneaux commerciaux.
Pourtant, la principale raison pour laquelle le silicium domine le marché mondial est relativement simple. « Tout est une question de coût », a déclaré Goss. « Le marché solaire a tendance à privilégier la technologie la moins chère. »
Le silicium cristallin coûte environ 0,24 à 0,25 dollar pour produire chaque watt d'énergie solaire, ce qui est inférieur à celui des autres concurrents, a-t-elle précisé. First Solar a indiqué ne plus communiquer le coût par watt de production de ses panneaux en tellurure de cadmium, mais seulement que les coûts ont « considérablement diminué » depuis 2015, année où l'entreprise a commencé à produire.coûts déclarés de 0,46 $ par watt— et continuent de baisser chaque année. Plusieurs raisons expliquent le prix relativement bas du silicium. Le polysilicium, matière première également utilisée dans les ordinateurs et les smartphones, est plus largement disponible et moins cher que le cadmium et le tellurure. Avec la croissance des usines de panneaux en silicium et de composants associés, les coûts globaux de fabrication et d'installation de cette technologie ont diminué. Le gouvernement chinois a également fortement investi dans la recherche et le développement.soutenu et subventionnéle secteur solaire au silicium du pays — à tel point queenviron 80 pour centLa majeure partie de la chaîne d'approvisionnement mondiale en matière de fabrication de panneaux solaires passe désormais par la Chine.
La baisse du coût des panneaux a stimulé l'essor mondial du solaire. Au cours de la dernière décennie, la capacité solaire installée mondiale a été multipliée par près de dix, passant d'environ 74 000 mégawatts en 2011 à près de 714 000 mégawatts en 2020.selonl'Agence internationale pour les énergies renouvelables. Les États-Unis représentent environ un septième de la production mondiale d'énergie solaire, et celle-ci est désormaisl'une des plus grandes sourcesde nouvelles capacités électriques installées aux États-Unis chaque année.
Le coût par watt du tellurure de cadmium et d’autres technologies à couches minces devrait également diminuer à mesure que la production se développe.First Solar dit(qu'une fois sa nouvelle usine de l'Ohio ouverte, la société offrira le coût par watt le plus bas de tout le marché solaire.) Mais le coût n'est pas la seule mesure qui compte, comme le montrent clairement les problèmes actuels de la chaîne d'approvisionnement et les préoccupations en matière de main-d'œuvre de l'industrie.
Mark Widmar, PDG de First Solar, a déclaré que l'expansion prévue de 680 millions de dollars de l'entreprise s'inscrit dans un effort plus vaste visant à construire une chaîne d'approvisionnement autonome et à « découpler » l'industrie solaire américaine de la Chine. Bien que les panneaux en tellurure de cadmium n'utilisent pas de polysilicium, First Solar a été confrontée à d'autres défis, comme les retards dus à la pandémie dans le transport maritime. En avril, First Solar a indiqué aux investisseurs que la congestion dans les ports américains freinait les expéditions de panneaux depuis ses installations en Asie. L'augmentation de la production américaine permettra à l'entreprise d'utiliser les routes et les chemins de fer pour expédier ses panneaux, plutôt que des cargos, a déclaré Widmar. De plus, le programme de recyclage existant de l'entreprise pour ses panneaux solaires lui permet de réutiliser les matériaux à de nombreuses reprises, réduisant ainsi sa dépendance aux chaînes d'approvisionnement et aux matières premières étrangères.
Alors que First Solar produit des panneaux, les scientifiques de l'entreprise et du NREL continuent de tester et d'améliorer la technologie du tellurure de cadmium. En 2019, les partenairesdéveloppé une nouvelle approcheCela implique de « doper » les matériaux en couches minces avec du cuivre et du chlore pour obtenir des rendements encore plus élevés. Plus tôt ce mois-ci, le NRELa annoncé les résultatsLes résultats d'un essai sur le terrain mené pendant 25 ans dans son installation extérieure de Golden, dans le Colorado, ont révélé qu'un ensemble de 12 panneaux en tellurure de cadmium fonctionnait à 88 % de son rendement initial, un excellent résultat pour un panneau resté en extérieur pendant plus de deux décennies. La dégradation « est conforme aux performances des systèmes au silicium », selon le communiqué du NREL.
Mansfield, scientifique au NREL, a déclaré que l'objectif n'était pas de remplacer le silicium cristallin par du tellurure de cadmium ni de faire d'une technologie une technologie supérieure à l'autre. « Je pense qu'elles ont toutes leur place sur le marché, et chacune a ses applications », a-t-elle déclaré. « Nous voulons que toute l'énergie soit issue de sources renouvelables ; nous avons donc vraiment besoin de toutes ces différentes technologies pour relever ce défi. »
Date de publication : 17 septembre 2021