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Les cellules au CdTe : minces, rentables... mais toxiques ?

Dossier - Les cellules photovoltaïques, cœur des panneaux solaires
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De nombreuses cellules photovoltaïques ont vu le jour pour exploiter au mieux la lumière du Soleil au travers de panneaux solaires. Afin de produire de l’électricité, silicium, terres rares ou plastiques sont employés, mais chaque technologie a des atouts et des faiblesses dans ce domaine prometteur.

  
DossiersLes cellules photovoltaïques, cœur des panneaux solaires
 

Les cellules au tellurure de cadmium (CdTe) affichent des rendements intéressants étant donné leurs caractéristiques, ce qui explique probablement leur succès actuel. Elles renferment pourtant des éléments rares ou théoriquement toxiques pour l'Homme et l'environnement. Dernier détail, elles sont dites à hétérojonction. Nous verrons pourquoi.

Les cellules au tellurure de cadmium (CdTe) présentent les avantages liés à la technologie des couches minces : elles sont légères, robustes, et seront peut-être un jour flexibles (de telles cellules existent déjà, mais uniquement en laboratoire). Elles ont pris un véritable essor ces dernières années, notamment grâce à leur commercialisation par l'entreprise américaine First Solar.

La technologie liée au CdTe

Le tellurure de cadmium est employé en tant que semi-conducteur dopé p. Un autre matériau est donc requis pour réaliser la jonction p-n, à savoir du sulfure de cadmium dopé n (CdS). Une telle union entre deux semi-conducteurs différents est appelée hétérojonction.

L'emploi du tellurure de cadmium procure plusieurs avantages aux cellules. Seuls 1 à 8 µm de CdTe suffisent pour absorber une grande quantité de lumière, y compris lorsqu'elle vient à manquer, comme à l'aube, au crépuscule ou par temps couvert. Les panneaux solaires rigides se comportent également mieux que les autres lorsque leur température monte, ce qui survient aux plus chaudes heures de la journée. Ils ne perdent que 3 % de leur puissance par tranche de 10 °C supplémentaires, contre 5 % pour les cellules cristallines (chiffres de First Solar). 

La centrale solaire de La Narbonnaise (Aude) est équipée de 95.000 panneaux solaires au CdTe. Elle a été inaugurée le 18 décembre 2008. © H. Hôte (Agence Caméléon), EDF EN

En 2010, les cellules au CdTe représentaient 6 % du marché mondial du photovoltaïque. Dernièrement, plusieurs centrales solaires françaises en ont été équipées.

Rendement des entités au tellurure de cadmium

Un rendement record de 18,7 % a été atteint le 26 février 2013 par une cellule expérimentale de First Solar, rendement confirmé par le National Renewable Energy Laboratory (NREL, laboratoire indépendant). Les panneaux commercialisés ont quant à eux des performances moindres, de l'ordre de 12,5 %.

Composition et fabrication des cellules au CdTe

Le coût de fabrication d'une cellule au tellurure de cadmium serait deux à trois fois moins important que celui d'une structure cristalline, notamment grâce à l'optimisation du procédé de fabrication, à la faible main-d'œuvre requise et aux économies d'échelle (baisse du coût à la suite de l'augmentation de la productivité).

Structure d’une cellule photovoltaïque au CdTe. La couche d’absorbant dopé p (en mauve) repose sous un autre semi-conducteur dopé n (CdS). Ces deux couches forment une hétérojonction. © NREL

Concrètement, une cellule au CdTe se compose, de haut en bas :

  • d'une vitre protectrice ;
  • d'une couche conductrice transparente, par exemple faite d'oxyde d'indium-étain (ITO) ou d'oxyde de zinc (ZnO). Elle récolte les charges négatives sur une épaisseur de 0,2 à 0,5 µm ;
  • de sulfure de cadmium CdS dopé n (épaisseur de 0,06 à 0,2 µm) ;
  • de tellurure de cadmium dopé p (épaisseur de 2 à 8 µm) ;
  • de la couche conductrice inférieure métallique. Elle est parfois fabriquée à partir d'une pâte de carbone enrichie en cuivre ;
  • du substrat, dont la nature peut varier selon les propriétés désirées (souple ou rigide).

Les cellules au CdTe sont produites de différentes manières. First Solar utilise par exemple la méthode VTD (vapor transport deposition), car elle permet de déposer de faibles épaisseurs de matériaux sur des substrats mobiles. Concrètement, du tellure et du cadmium sont chauffés indépendamment dans des chambres, puis des gaz inertes vont transporter les vapeurs générées. Elles sortent par des orifices situés à environ 1 cm des supports. La matière se dépose alors sur le substrat, qui est maintenu à une température inférieure à la température d'évaporation. Un panneau solaire complet peut être produit en deux heures et demie, avec des pertes de matière première estimées à seulement 2 %.

Les inconvénients du CdTe

Deux problèmes majeurs se posent avec cette technologie. Le tellure est un élément rare (entre une et cinq parties par milliard dans la croûte terrestre). Il pourrait venir à manquer ou ne plus être disponible en quantité suffisante pour assurer la pérennité des filières qui l'utilisent.

Le cadmium pose également question, car il s'agit d'un élément toxique pouvant s'accumuler le long de la chaîne alimentaire. Dans les années 1950, des industries minières ont déversé du cadmium dans des cours d'eau de la préfecture japonaise de Toyama, provoquant alors l'apparition de la maladie dite Itai-Itai au sein de la population. Elle se traduisait notamment par des ramollissements d'os et des insuffisances rénales. Les habitants touchés se nourrissaient entre autres de riz issus de cultures irriguées par les eaux contaminées. Précisons toutefois que le cadmium devient inoffensif une fois inclus dans les cellules solaires, comme l'ont confirmé plusieurs études scientifiques publiées dans des revues spécialisées.

Un incendie ne pourrait pas libérer le cadmium des cellules solaires, car la chaleur ferait fondre le verre l'entourant, ce qui l'emprisonnerait. Les principaux risques concerneraient les personnes travaillant dans les usines d'assemblage ou de recyclage, mais il existe de nombreux procédés industriels pour éviter tout empoisonnement.

Ajoutons enfin qu'il faut moins de cadmium pour fabriquer un panneau solaire qu'une seule pile NiCd. Pour les moins convaincus, des cellules dépourvues d'élément toxique ont vu le jour dans les années 1980. Elles se composent notamment d'indium et de gallium.