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CZTS, une cellule solaire sans élément rare

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.

  
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Le cuivre, le zinc, l'étain, le soufre et le sélénium forment ensemble un matériau semi-conducteur de choix, puisqu'il est fait d'éléments courants et non toxiques. Dommage que le rendement affiché par les cellules CZTS ne soit pas plus élevé... Il devrait augmenter dans les années à venir. Le CIGS et le CdTe auront-ils bientôt un remplaçant de premier ordre ?

De nouvelles cellules sont déjà en cours de développement en prévision de la pénurie probable d'indium. Cependant, remplacer les cellules au CIGS représente un véritable défi tant cet absorbant est efficace. Une alternative exploitant le principe de la jonction p-n se démarque néanmoins depuis la fin des années 2000 : la cellule CZTS.

Elle possède des propriétés optiques et électroniques similaires à celle au CIGS, tout en ayant l'avantage d'être composée d'éléments abondants (à l'inverse du tellure ou de l'indium) et non toxiques pour la santé ou l'environnement (le cadmium peut être banni). Par ailleurs, ses constituants de base seraient cinq fois moins coûteux que ceux de la filière CIGS.

La technologie des cellules CZTS

S'il n'y a ni terre rare ni élément toxique, qu'y a-t-il à la place ? Les cellules CZTS renferment en réalité un absorbant fait de cuivre, de zinc, d'étain, de soufre et de sélénium, de formule Cu2ZnSn(S,Se)4. L'ajout d'un autre semi-conducteur dopé n est requis pour former une hétérojonction, comme pour les cellules CIGS.

Selon un article paru en 2009nous pourrions produire suffisamment d'énergie pour subvenir aux besoins de la population mondiale en n'exploitant que 0,1 % des réserves des principaux éléments concernés. Est-ce la solution miracle pour autant ?

Cette cellule solaire CZTS ne contient pas de terre rare ni d’élément toxique en quantité. Elle pourrait remplacer les structures au CIGS et au CdTe, si son rendement augmente dans les années à venir. © NREL

Rendement des entités photovoltaïques au CZTS

C'est ici que le bât blesse. Le rendement expérimental des cellules CZTS atteint à peine 11,1 %, soit la moitié de celui des cellules CIGS. Or, le rendement des modules solaires est toujours inférieur à celui des cellules, ce qui explique que la technologie CZTS n'ait pas encore été industrialisée.

La société AQT Solar envisage cependant le lancement d'une ligne de production dans le courant de l'année 2013.

Composition et fabrication des cellules CZTS

La structure et la fabrication des cellules CZTS et CIGS sont similaires. Seules les conditions optimales d'assemblage varient d'une filière à l'autre. Les substrats peuvent eux aussi être rigides ou souples.

Du haut en bas, une cellule CZTS se compose :

  • d'un verre de protection ;
  • d'une couche conductrice transparente d'oxyde de zinc intrinsèque (elle est parfois précédée d'une couche de ZnO dopée à l'aluminium, de 400 nm d'épaisseur) ;
  • d'une couche de sulfure de cadmium (CdS) ou d'un composé mixte comprenant du zinc, de l'oxygène, du soufre et des hydroxydes Zn(S,O,OH). D'une épaisseur de 70 nm, ils sont naturellement dopés n ;
  • de la couche de CZTS (épaisseur d'environ 1,5 µm) ;
  • du conducteur inférieur, généralement du molybdène (épaisseur de 300 nm) ;
  • du substrat.

Les cellules CZTS peuvent être fabriquées sous vide en utilisant la pulvérisation cathodique, la coévaporation ou le dépôt laser pulsé (PLD pour pulsed laser deposition, aussi appelé ablation laser pulsé). Dans ce dernier cas, un puissant faisceau laser se charge d'ablater la matière à déposer pour la transformer en une vapeur. Celle-ci peut ensuite se condenser sur la pièce à revêtir. Petit détail important : le CZTS se dégrade s'il est chauffé sous vide à plus de 500 °C. Notons que les rendements actuels des cellules CZTS produites par ce procédé sont faibles, moins de 1 % !

Sans avoir recours au vide, les cellules peuvent être assemblées par électrodépôt, par impression, par des pyrolyses par spray (les différents éléments sont projetés sur un support chauffé) ou par un procédé sol-gel (grâce à de simples réactions chimiques).

L'inconvénient majeur : le rendement

Seul le faible rendement des cellules CZTS pose actuellement problème.