Assurer une croissance pérenne de l’industrie photovoltaïque mondiale, à l'échelle térawatt, nécessite de prendre en compte la consommation de ressources à long terme. L'argent attire particulièrement le regard. En 2022, 15% de l'approvisionnement mondial a déjà été consacré à cette industrie. Réduire considérablement l’utilisation de ce matériau est l’un des enjeux pour la viabilité environnementale et financière à venir de l’industrie photovoltaïque.
Crédits : CEA-D. CHERPIN
Photovoltaïque plus économe en argent
Publié le 30/01/2024
L’argent est utilisé à deux étapes de la fabrication des cellules et panneaux photovoltaïques. Il est l’ingrédient conducteur de la pâte de sérigraphie qui permet d’imprimer les collecteurs de charges électriques à la surface des cellules silicium, l’étape de métallisation. Il est aussi présent dans les matériaux utilisés pour interconnecter les cellules entre elles, au moment de l’assemblage des panneaux. L’objectif est donc de diminuer les quantités d’argent voire de le remplacer à deux étapes de fabrication.
La consommation d'argent des panneaux photovoltaïques bifaciaux de technologie hétérojonction, sérigraphie et interconnexion des cellules comprises, est supérieure à 35mg/Wp actuellement. Les experts proposent l'objectif ambitieux d’abaisser ce chiffre à 5mg/Wp d'ici 2030. Ce défi requiert d’utiliser tous les moyens comme la co-conception des cellules et des panneaux, l'affinement des techniques d'impression et la (ré)introduction du cuivre disponible en abondance.
Par ailleurs, la pression pour réduire l'utilisation de matériaux comme l'Indium et le Bismuth est encore plus forte en raison de leur rareté. Cela décourage d’utiliser des alliages de soudure à basse température dans leur formulation actuelle qui en contient.
La communauté scientifique, et les laboratoires du CEA à l’INES, mènent des recherches sur l’ensemble de ces axes.
Pour la sérigraphie des cellules, les résultats obtenus en remplaçant les pâtes argent par des pâtes cuivre-argent sont prometteurs. En utilisant ce procédé à haute cadence et standard de l’industrie, l’intégration sur la seule face arrière permet déjà une réduction de 33% de la consommation d’argent par rapport à la référence pure argent, et de l’ordre de 50% pour une intégration bifaciale, et cela en maintenant des performances initiales élevées. Nos essais ont montré aussi que les dégradations de performance de cellules et modules ainsi réalisés et soumis à des vieillissements accélérés, d’une durée au-delà de la norme, restent limitées à un ordre de grandeur acceptable, inférieur à 3%.
Pour interconnecter les cellules hétérojonction, la technologie de collage de rubans à base d'adhésif électriquement conducteur (ECA) prend l’avantage, notamment car elle ne contient pas de plomb. C’est une technologie basse température qui contribue à réduire les contraintes thermomécaniques résiduelles. La réduction de l’argent dans cette technologie d’interconnexion peut se faire de plusieurs manières : Réduction du poids d’ECA déposé, réduction de la quantité d’argent présent dans l’ECA ou réduction/suppression du revêtement argent sur les rubans en cuivre.
En combinant ainsi une métallisation des cellules avec des pâtes cuivre-argent avec leur interconnexion par un ECA à teneur réduite en argent, il sera possible d’abaisser à court terme la consommation à moins de 20mg/Wp. Les développements en cours sur ces sujets donnent à penser que des consommations de l’ordre de 10mg/Wp, en ligne avec les feuilles de route internationales ITRPV à horizon 2030, sont possibles sans impact significatif sur la puissance des dispositifs photovoltaïques.
Enfin les performances accrues et la densité de courant plus faible offertes par les dispositifs tandem silicium-pérovskite constitueront sans doute, à l’avenir, un levier supplémentaire pour réduire la consommation d'argent et atteindre cet objectif.
Ces travaux ont été présentés à la conférence EU-PVSEC 2023.