La plupart des panneaux solaires qui recouvrent les toits, les champs et les déserts du monde partagent aujourd’hui le même ingrédient : le silicium cristallin. Le matériau, fabriqué à partir de polysilicium brut, est façonné en plaquettes et câblé en cellules solaires, des dispositifs qui convertissent la lumière du soleil en électricité. Récemment, la dépendance de l'industrie à l'égard de cette technologie singulière est devenue une sorte de handicap. Goulots d’étranglement de 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– font face à des sanctions commerciales américaines.
Heureusement, le silicium cristallin n’est pas le seul matériau capable d’exploiter l’énergie solaire. Aux États-Unis, les scientifiques et les fabricants s’efforcent d’étendre la production de technologie solaire 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 pour cent du marché solaire mondial. Et ils devraient bénéficier des vents contraires auxquels est confrontée l’industrie solaire dans son ensemble.
"C'est une période très volatile, en particulier pour la chaîne d'approvisionnement en silicium cristallin en général", a déclaré Kelsey Goss, analyste de recherche solaire pour le groupe de conseil en énergie Wood Mackenzie. « Il existe un grand potentiel pour les fabricants de tellurure de cadmium de prendre davantage de parts de marché au cours de l'année à venir. » D’autant plus, a-t-elle souligné, que le secteur du tellurure de cadmium est déjà en pleine expansion.
En juin, le fabricant solaire First Solar a annoncé qu'ilinvestir 680 millions de dollarsdans une troisième usine solaire au tellurure de cadmium dans le nord-ouest de l’Ohio. Lorsque l'installation sera terminée, en 2025, l'entreprise sera en mesure de produire 6 gigawatts de panneaux solaires dans la région. C'est suffisant pour alimenter environ 1 million de foyers américains. Toledo Solar, une autre entreprise solaire basée dans l'Ohio, est récemment entrée sur le marché et fabrique des panneaux en tellurure de cadmium pour les toits résidentiels. Et en juin, le Département américain de l'Énergie et son National Renewable Energy Laboratory, ou NREL,a lancé un programme de 20 millions de dollarspour accélérer 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 cadmium. Le cadmium et le tellurure sont respectivement des sous-produits de la fusion des minerais de zinc et du raffinage du cuivre. Alors que les tranches de silicium sont reliées entre elles pour fabriquer des cellules, le cadmium et le tellurure sont appliqués sous forme d'une 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.
La technologie présente certains avantages par rapport au silicium cristallin, a déclaré Lorelle Mansfield, scientifique du NREL. Par exemple, le procédé à couche mince nécessite moins de matériaux que l’approche basée sur des tranches. La technologie des couches minces est également bien adaptée à une utilisation dans les 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 fonctionnent mieux à des températures élevées, tandis que les panneaux en silicium peuvent surchauffer et devenir moins efficaces pour produire de l'électricité, a-t-elle expliqué.
Mais le silicium cristallin a l’avantage dans d’autres domaines, tels que leur efficacité moyenne, c’est-à-dire le pourcentage de lumière solaire absorbée et convertie par les panneaux en électricité. Historiquement, les panneaux de silicium ont eu des rendements plus élevés que la technologie au tellurure de cadmium, même si l'écart se réduit. Les panneaux de silicium produits industriellement aujourd'hui peuvent atteindre des rendements de18 à 22 pour cent, tandis que First Solar a signalé une efficacité moyenne de 18 pour cent pour ses panneaux commerciaux les plus récents.
Pourtant, la principale raison pour laquelle le silicium a dominé le marché mondial est relativement simple. "Tout dépend du coût", a déclaré Goss. « Le marché solaire a tendance à être fortement tiré par la technologie la moins chère. »
Le silicium cristallin coûte entre 0,24 et 0,25 dollar pour produire chaque watt d'énergie solaire, ce qui est inférieur à celui des autres concurrents, a-t-elle déclaré. First Solar a déclaré qu'elle ne rapportait plus le coût par watt pour produire ses panneaux en tellurure de cadmium, mais que les coûts avaient « considérablement diminué » depuis 2015 – lorsque l'entreprisecoûts signalés de 0,46 $ par watt– et continue de baisser chaque année. Le prix relativement bas du silicium s’explique par plusieurs raisons. Le polysilicium, une matière première également utilisée dans les ordinateurs et les smartphones, est plus largement disponible et moins coûteux que le cadmium et le tellurure. À mesure que les usines de panneaux de silicium et de composants associés se sont développées, les coûts globaux de fabrication et d’installation de la technologie ont diminué. Le gouvernement chinois a également fortementsoutenu et subventionnéle secteur solaire au silicium du pays - à tel point queenviron 80 pour centde la chaîne d'approvisionnement mondiale de fabrication de produits solaires passe désormais par la Chine.
La baisse des coûts des panneaux a entraîné le boom solaire mondial. Au cours de la dernière décennie, la capacité solaire totale installée dans le monde a été multipliée par dix, passant d'environ 74 000 mégawatts en 2011 à près de 714 000 mégawatts en 2020.selonl'Agence internationale des énergies renouvelables. Les États-Unis représentent environ un septième du total mondial, et l'énergie solaire est désormaisl'une des plus grandes sourcesde nouvelle capacité électrique installée 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 fabrication se développe. (First Solar ditque lorsque sa nouvelle installation dans l'Ohio ouvrira, l'entreprise 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 chaîne d'approvisionnement et 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 la société faisait partie d'un effort plus vaste visant à construire une chaîne d'approvisionnement autosuffisante 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 ressenti d'autres défis auxquels l'industrie est confrontée, comme les retards induits par une pandémie dans l'industrie du transport maritime. En avril, First Solar a déclaré aux investisseurs que la congestion dans les ports américains retardait 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, et non les cargos, a déclaré Widmar. Et le programme de recyclage existant de l'entreprise pour ses panneaux solaires lui permet de réutiliser les matériaux plusieurs fois, réduisant ainsi sa dépendance à l'égard des chaînes d'approvisionnement et des 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 efficacités encore plus élevées. Plus tôt ce mois-ci, NRELa annoncé les résultatsd'un test sur le terrain de 25 ans dans ses installations extérieures de Golden, au Colorado. Un ensemble de 12 panneaux en tellurure de cadmium fonctionnait à 88 % de son efficacité d'origine, un résultat solide pour un panneau resté à l'extérieur pendant plus de deux décennies. La dégradation « est conforme à ce que font les systèmes au silicium », selon le communiqué du NREL.
Mansfield, le scientifique du NREL, a déclaré que l'objectif n'est pas de remplacer le silicium cristallin par du tellurure de cadmium ou d'établir qu'une technologie est supérieure à l'autre. « Je pense qu'il y a une place pour chacun d'entre eux sur le marché, et chacun a ses applications », a-t-elle déclaré. "Nous voulons que toute l'énergie provienne de sources renouvelables, nous avons donc vraiment besoin de tous ces différents types de technologies pour relever ce défi."
Heure de publication : 17 septembre 2021