Contrairement aux panneaux de silicium cristallin traditionnels, les cellules de film mince sont produites par le dépôt de couches de matériaux photovoltaïques d'épaisseur micrométrique sur des substrats tels que le verre, le papier métallique ou le plastique.Cette différence fondamentale a permis de nouvelles applications, allant des photovoltaïques intégrés au bâtiment (BIPV) qui se mélangent sans heurts à l'architecture aux chargeurs portables pour des expéditions à distance. Au cours des dix dernières années, des progrès constants dans la recherche et la fabrication ont entraîné des gains d'efficacité, des réductions de coûts et des améliorations de durabilité, et ont placé la technologie de film mince comme un concurrent principal sur le marché solaire.

Historique des cellules solaires minces-fiilm

Les premiers modules solaires à film mince, commercialement viables, étaient basés sur du silicium amorphe (a-Si), utilisant une forme non cristalline de silicium qui pouvait être déposée en couches très minces. Les premiers modules a-Si souffraient d'une faible efficacité de conversion — généralement de 4 à 6 % — et de dégradation causée par l'effet Stäbler-Wronski, qui a réduit les performances sous exposition prolongée à la lumière. Néanmoins, leur capacité à être fabriqués sur des substrats à grande surface et à des températures plus basses offrait une voie à la réduction des coûts.

Pendant les années 1980 et 1990, deux autres technologies de film mince ont pris de l'importance : le telluride de cadmium (CdTe) et le copper indium gallium séléniure (CIGS). Les cellules de CdTe offraient des coefficients d'absorption plus élevés que le silicium, ce qui signifie qu'une couche très mince (~1–2 μm) pourrait absorber la plus grande partie du rayonnement solaire entrant.

La trajectoire historique révèle un modèle : les préoccupations initiales de faible efficacité et de fiabilité suivies de percées de recherche ciblées qui portaient sur des modes de défaillance spécifiques. Au milieu des années 2010, les modules à film mince ont atteint une efficacité commerciale de 15 à 18 % pour le CdTe et de 19 % pour le CIGS, ce qui a réduit l'écart avec le silicium multicristallin.

Progrès technologiques récents

Ces cinq à sept dernières années ont connu des progrès remarquables dans la technologie solaire à film mince, touchant toutes les performances métriques et permettant de nouvelles applications.Ces progrès peuvent être regroupés en quatre domaines clés : l'amélioration de l'efficacité, l'amélioration de la durabilité, la réduction des coûts et la conception de la flexibilité/léger.

Amélioration de l'efficacité

L'efficacité — le rapport de la production électrique à l'énergie solaire incidente — a toujours été une mesure critique. Bien que les premières cellules à film mince languissent sous 10%, les enregistrements récents ont brisé cette barrière. Les premiers modules CdTe de Solar ont obtenu des rendements certifiés en laboratoire de 22,1% sur les petites cellules et les gains en efficacité des modules commerciaux supérieurs à 19%. Ce saut a été rendu possible par une technique appelée doping[ — introduction d'impuretés comme le sélénium dans la couche absorbante de CdTe pour améliorer la durée de vie et la tension du porteur. De même, Cyclines CIGS[ ont atteint 23,4% en laboratoire (pour les petites cellules) et plus de 19% pour les modules à grande échelle, en utilisant des traitements avancés après la pose (p. ex., fluorure de potassium) pour passer les limites des grains.

Les techniques comme la sublimation dans l'espace fermé pour le CdTe, la pulvérisation et l'évaporation pour le CIGS, et les dépôts de vapeur chimique améliorée par le plasma pour a-Si ont été optimisés pour réduire les défauts et améliorer l'uniformité. L'introduction de couches tampons[ (p. ex., l'oxysulfure de zinc remplaçant le sulfure de cadmium dans certains modèles du CIGS) a amélioré la réponse à court terme et éliminé le cadmium toxique du tampon, en tenant compte des préoccupations environnementales.

Durabilité accrue

L'encapsulation avancée à l'aide de joints de bord en polyisobutylène (PIB) combinés à des structures stratifiées verre/verre protège contre l'humidité, cause principale de la dégradation du CdTe et du CIGS. Les premiers modules Solar="s Series 6 et 7 intègrent, par exemple, une conception en verre avec un joint de bord robuste, qui non seulement réduit la corrosion mais fournit également une rigidité structurelle.Pour les modules souples en film mince sur des substrats polymères, des films de barrière multicouches contenant des couches alternées d'oxydes inorganiques (comme l'aluminium) et des polymères organiques créent une trajectoire tortue pour les vapeurs d'eau, obtenant des propriétés de barrière comparables au verre.

De plus, les innovations dans les conceptions de contact arrière[ (p. ex., utilisant du molybdène ou des oxydes conducteurs transparents comme l'oxyde de zinc) ont réduit la délamination et la défaillance de l'interconnexion. Pour le CIGS, le recuit post-déposition dans une atmosphère de sélénium s'est avéré stabiliser la couche absorbante, réduisant ainsi la dégradation induite par la lumière.

Réduction des coûts

Les coûts de fabrication ont chuté en raison d'une combinaison de dimensions de substrats plus larges, d'outils de dépôt à débit plus élevé et d'utilisation plus efficace des matériaux[. Le premier module CdTe de Solar est passé d'environ 1,00$/Wp en 2010 à moins de 0,25$/Wp d'ici 2020, ce qui en fait l'une des technologies solaires les moins chères sur la base du coût de l'électricité (LCOE). Le module de la série 6 de la société (2,1m x 1,1m) utilise un substrat de verre unique et réduit les pertes de cellules à modules par intégration monolithique – avantage en matière de film minces signature où les cellules sont interconnectées pendant le dépôt, éliminant le besoin de rubans d'argent et de cordes.

De plus, l'utilisation de matériaux abondants et non toxiques (p. ex. cuivre, indium, galrium, sélénium — bien que la rareté de l'indium soit préoccupante) et l'élimination de la pâte d'argent coûteuse réduisent les frais généraux de la matière.Les chercheurs explorent également des méthodes d'impression à base d'encre pour les couches absorbantes, qui pourraient réduire encore plus le capex et les temps de récupération de l'énergie.

Flexibilité et conception légère

Les modules flexibles en CdTe, qui utilisent des substrats polyimides, sont maintenant disponibles, pesant moins de 2 kg par mètre carré, soit environ un dixième du poids des modules en verre traditionnels. Cela ouvre l'installation sur des toits commerciaux plats avec une capacité de charge limitée, industriels des structures comme des entrepôts, et résidentiels[ des tuiles. Le CIGS sur des substrats en acier ou en plastique flexibles offre des avantages similaires avec un potentiel d'efficacité plus élevé (15–18% pour les modules commerciaux flexibles). Ces panneaux peuvent être intégrés directement dans ] des matériaux de construction.] des films ] des barils solaires qui remplacent des installations de revêtement en mode mixte des panneaux de travail en mode de construction.

Les panneaux de film minces en kits portables fournissent de l'électricité de secours pour les opérations militaires de secours, de camping ou à distance. Leur faible poids et leur flexibilité permettent un déploiement rapide sans équipement lourd. Dans les applications spatiales, les cellules photovoltaïques à film mince (surtout ]III-V multi-jonction, cousines de la technologie à film mince, ont été la norme pour les satellites en raison de leur grande efficacité et de leur résistance aux rayonnements, bien que cette application soit distincte de l'objectif terrestre de film mince ici.

Incidence sur les énergies renouvelables Adoption

Les améliorations cumulatives de l'efficacité, du coût et de la flexibilité ont entraîné une augmentation de l'adoption de réseaux solaires à film mince à diverses échelles et géographiques. Les centrales électriques à échelles de services publics, en particulier dans les régions riches en soleil, déploient désormais régulièrement des modules CdTe. Par exemple, la ferme solaire massive de 2 GW de First Solar au Rajasthan, en Inde, et plusieurs projets à échelle GW aux États-Unis démontrent que les films minces peuvent concurrencer le silicium cristallin pour les installations au sol.

Dans le secteur commercial et industriel , les panneaux à film mince flexible sont de plus en plus choisis pour les toits à faible charge où les panneaux traditionnels nécessiteraient un renforcement structurel coûteux. Les panneaux photovoltaïques intégrés au bâtiment (BIPV) ont bénéficié de la polyvalence esthétique et mécanique du film mince; des produits comme les tuiles solaires du toit de Tesla (qui utilise des cellules cristallines mais le concept s'étend au film mince) et le verre solaire de sociétés comme Onyx Solar utilisent le film mince pour créer des fenêtres génératrices de puissance.

Les panneaux à film mince léger et roulant fournissent de l'électricité aux microgrilles dans les zones sans accès au réseau, des batteries de recharge pour l'éclairage, la communication et les petits appareils.Dans le secteur militaire, les chargeurs à film mince portatif réduisent la dépendance à l'égard des convois de carburant. Le marché électronique de consommation[, des sacs à dos avec recharge solaire intégrée, des dispositifs extérieurs avec panneaux intégrés, a grandi grâce à des conceptions flexibles et légères.

Du point de vue de la politique, la baisse du CCV des centrales solaires à film mince a permis aux pays d'atteindre plus rapidement la parité des grilles non subventionnées. Les mesures incitatives autrefois nécessaires pour le silicium cristallin sont maintenant moins critiques, car les installations à film mince sont économiquement viables.

Perspectives d'avenir

En regardant vers l'avenir, la technologie solaire à film mince est prête à faire un autre saut, entraîné par des matériaux émergents et des architectures nouvelles. Le développement le plus excitant est l'intégration de perovskiteavec des cellules à film mince et au silicium pour créer tandem[ ou des dispositifs à plusieurs jonctions. Les Perovskite, comme l'iodure de plomb de méthylammonium, peuvent être déposés par traitement de solution ou dépôt de vapeur à basse température, ce qui en fait un ajustement naturel pour la fabrication de films minces. Les cellules de tandem perovskite/silicon ont déjà dépassé 29 % d'efficacité et les tandems perovskite/CIGS ont atteint 24,2%.

Une autre frontière est les photovoltaïques organiques (OPV)[, qui utilisent des polymères conducteurs ou de petites molécules comme couche absorbante. Bien que les OPV soient actuellement en mesure de fonctionner (environ 12 à 15 % dans les laboratoires), ils offrent une flexibilité extrême, une étirement et un potentiel d'impression ultra-faible. Si l'on peut surmonter les défis d'efficacité et de stabilité, les OPV pourraient devenir le mince film de choix pour l'électronique portable et l'emballage intelligent.

]L'innovation manufacturière continuera à faire baisser les coûts. La surveillance en temps réel et l'apprentissage machine sont appliqués aux processus de dépôt pour améliorer le rendement et l'uniformité. L'impression en rouleaux de couches de perovskite sur des substrats flexibles pourrait éventuellement atteindre des débits de production de kilomètre carré. La recyclabilité fait l'objet d'une attention; les modules de film mince présentent des avantages inhérents à la recyclabilité par rapport au silicium, car de nombreux matériaux (CdTe, métaux) peuvent être récupérés grâce à des procédés plus simples.

Enfin, l'intégration intelligente[ avec les systèmes de gestion de l'énergie du bâtiment et les photovoltaïques intégrés au véhicule (VIPV)[ tirera parti de la polyvalence des modules à film mince. Les véhicules électriques (EV) avec des cellules à film mince intégrées sur les toits et les capots peuvent étendre leur autonomie de 10 à 20 % dans des conditions ensoleillées, comme le démontrent certains concept-cars.

L'avenir du solaire à film mince ne consiste pas à remplacer le silicium cristallin en gros, mais à le compléter dans des applications où ses caractéristiques uniques - flexibilité, poids léger, intégration monolithique et haute performance à température - offrent des avantages distincts.