Le problème avec les panneaux solaires

L'industrie de l'énergie solaire faire face à un potentiel Talon d'Achille : sa dépendance à l'argent. En tant que métal précieux et coûteux, l’argent joue un rôle crucial dans presque tous les types de panneaux solaires. La production mondiale d’énergie solaire dépassant le niveau du térawatt, la pérennité de cette croissance est désormais menacée par la rareté et le coût de l’argent. Il existe une alternative possible dans les panneaux à base de cuivre, battant des records mondiaux d’efficacité et montrant un potentiel prometteur. Toutefois, les fabricants hésitent à remplacer l’argent par le cuivre. L'industrie de l'énergie solaire peut-elleRelever le défienges posés par des résistances en cuivre et nous fournir des panneaux solaires plus abordables et plus efficaces ? Explorons ce voyage complexe et complexe.

Sérigraphie

Depuis les années 1970, la sérigraphie est la méthode traditionnelle de fabrication de cellules solaires en silicium, représentant environ 85 à 90 % de la production. Analogue à l’impression d’un logo sur un T-shirt, cette méthode consiste à placer un écran au dos de la plaquette de silicium. La machine dépose une couche de pâte d'argent sur l'écran et un grattoir la presse. La plaquette subit un séchage, une cuisson et un retournement, répétant le processus de l'autre côté. Bien que rentable, le défi réside dans les matériaux utilisés. L'argent représente environ 10 % des coûts de fabrication et utilise environ 15 % de l'argent extrait dans le monde. Avec les progrès de l’énergie solaire, la demande mondiale d’argent a augmenté. Diverses technologies en évolution se disputent l’argent, notamment l’infrastructure 5G, les véhicules électriques et autres appareils électroniques grand public qui saturent le marché. Les scientifiques ont exprimé leurs inquiétudes dès 2013, soulignant que la croissance rapide de la demande d’énergie solaire et d’argent est sur le point de faire grimper considérablement le coût de l’énergie solaire.

Même si l’énergie solaire devient moins chère,Les prix de l’argent augmentent rapidement. La Silver Association a révélé que la demande mondiale d’argent en 2021 a atteint un niveau record depuis 2015, avec des prix en hausse de 22 % sur un an, atteignant un sommet sur neuf ans de 25,14 dollars l’once troy. En revanche, les prix du cuivre en 2021 étaient d’environ 0,29 $ l’once troy. Même si certains envisagent de recycler l’argent, une étude de décembre 2022 suggère que ce n’est pas encore réalisable en raison du manque d’argent pour la retraite. La longévité des panneaux solaires présente des aspects à la fois positifs et négatifs. De plus, le processus de recyclage demande beaucoup de main d’œuvre, nécessitant le démontage des panneaux et un traitement chimique pour éliminer l’argent. Même si le recyclage est bénéfique à long terme, il pourrait ne pas être réalisable dans les décennies à venir.

Considérons maintenant le cuivre, une alternative avec une conductivité comparable mais des coûts nettement inférieurs. Deux voies de conversion cruciales se démarquent : 1) remplacer la pâte d’argent par de la pâte de cuivre dans la sérigraphie, et 2) adopter la conception de cellules solaires à contact intégrées par rapport à la sérigraphie. Le passage au cuivre présente des avantages tels que l’obtention d’une efficacité de cellule solaire record au monde et l’utilisation de matériaux plus abordables et plus abondants. Ces dernières années, plusieurs entreprises, inspirées par les pionniers australiens Stuart Wenham et Martin Green, ont réalisé des progrès notables. Leur brevet de 1985 pour les cellules solaires à contact enterré a marqué une amélioration significative. Pour comprendre ces améliorations, décrivons quelques structures clés de panneaux solaires. Le motif en forme de grille sur la face avant du panneau constitue le point de contact supérieur, généralement en argent. Ces fils métalliques collectent l'électricité générée par la batterie. Les lignes horizontales les plus fines, appelées « doigts », transmettent le courant à des lignes verticales plus épaisses appelées « barres omnibus ». Idéalement, les doigts photovoltaïques sont étroitement serrés et aussi étroits que possible.

Malheureusement, la production de doigts fins implique des coûts importants. En conséquence, les doigts plus larges en sérigraphie présentent un inconvénient majeur : une diminution de 10 à 15 % de la puissance de sortie due à la perte de masquage. Les contacts intégrés offrent une solution élégante avec des doigts plus profonds que leur largeur. Les rainures découpées au laser sur le silicium sont remplies de cuivre, ce qui entraîne plus de métal dans les doigts et moins de métal obstruant la surface. Cette innovation réduit la perte d'ombrage de 2 à 3 %. En fin de compte, l’efficacité des panneaux solaires à contact intégrés dépasse de 25 % celle de leurs homologues sérigraphiés.

En 1991, les cellules expérimentales de Wenham et Green avec contacts intégrés atteignaient une efficacité record de 24,7 %, et les cellules commerciales atteignaient une efficacité de 20 %. Cependant, leur adoption généralisée s’est heurtée à des difficultés. C'est alors qu'intervient le « Roi Soleil » Shi Zhenrong, qui a fondé Suntech Power en 2001. Malgré un rendement record mondial de 20,3 % pour les cellules métallisées en cuivre en 2012, Suntech a fait faillite en mars de l'année suivante. Ce sort n’était pas unique ; BP Solar, qui utilisait des cellules de contact enterrées dans des cuvettes laser dans ses composants Saturn, a également été confronté à la faillite en 2011. La question demeure : si le cuivre est si prometteur, pourquoi ces entreprises ont-elles fait faillite ?

Un facteur important contribuant à ce défi est le coût. Les panneaux solaires en argent sont plus rentables à fabriquer. Bien que le cuivre soit une matière première moins chère que l’argent, sa mauvaise adhérence aux panneaux solaires constitue un problème persistant pour les scientifiques et les praticiens. Les panneaux solaires sont conçus pour durer 25 ans ou plus, supportant diverses conditions climatiques. Cependant, le cuivre a tendance à s’écailler, ce qui peut compromettre la fiabilité des cellules cuivrées. Cette appréhension explique les hésitations des constructeurs dans la transition. La performance est une autre préoccupation majeure. Bien que les doigts plus étroits des cellules en cuivre améliorent l'efficacité en réduisant les ombres, le risque de diffusion du cuivre dans le silicium sous-jacent constitue une menace. La diffusion du cuivre peut convertir le silicium semi-conducteur en conducteur, entraînant des courts-circuits à l'intérieur du panneau. Cela introduit des risques supplémentaires qui ne sont généralement pas associés à un produit bien établi. L'établissement de barrières de diffusion efficaces est complexe et peut entraîner des coûts de production supplémentaires. En outre, des inquiétudes existent quant à la manière dont l’oxydation du cuivre peut limiter la conductivité.

Relever ces défis en ingénierie implique d'incorporer des étapes supplémentaires et d'allouer davantage de ressources dans le processus de fabrication. Cette complexité constitue le principal obstacle, contribuant à l'adoption limitée du cuivre et aux difficultés rencontrées par BP et Suntech. Alors que BP Solar a commercialisé avec succès ses panneaux Saturn, la décision d'arrêter la production découle de la concurrence de l'argent sérigraphié à moindre coût. À mesure que la technologie progressait, l’argenterie sérigraphiée est devenue plus abordable. Malgré une étude de 2014 indiquant la durabilité de la conception des contacts intégrés de BP, des facteurs économiques ont influencé les choix de production.

La question se pose : le cuivre peut-il surmonter ces défis, surtout compte tenu des risques accrus actuels ? Shi Zhenrong exprime son optimisme. Deux ans après la faillite de Suntech, il a dirigé un investissement dans la nouvelle startup SunDrive. Basée à Sydney, la société se concentre sur les plaques de cuivre. Le superviseur Lennon, déterminé à accélérer le projet, a renoncé à son cours de doctorat, se consacrant à des expériences en garage. Après de nombreuses tentatives, il a mis au point une méthode permettant de fixer le cuivre aux cellules solaires. Co-fondateur de SunDrive avec ses colocataires, ils ont déposé un brevet en 2015. En septembre 2022, l'entreprise a atteint un rendement de panneaux de 26,41 %, battant le record mondial des cellules solaires commerciales au silicium.

Si l’entreprise parvient à produire à grande échelle, la perspective d’utiliser de la ferraille d’argent devient viable, ce qui pourrait conduire à des réductions significatives des prix à la consommation. Reste à savoir si l’histoire se répétera, laissant le cuivre de côté. La réponse n’est peut-être pas loin, puisque l’entreprise prévoit d’établir une ligne de production pilote en 2023. Les défis historiques des panneaux à base de cuivre, traitant de problèmes tels que l’oxydation et la diffusion, suggèrent qu’il ne s’agit peut-être pas d’une solution universelle. La menace imminente d’une flambée des prix de l’argent pourrait potentiellement contraindre les fabricants à prendre des mesures décisives. Quelles sont vos pensées ? Vous réfléchissez toujours ? Le cuivre est-il la solution évidente ? Quelles alternatives solaires durables sont disponibles ?