Impact environnemental des Tandem Perovskite sur silicium

Publié le 30/11/2021

[ITE INES.2S] Tandem Perovskite / Silicium - Orienter la recherche sur les technologies photovoltaïques futures en fonction de leur impact environnemental

Le CEA obtient à l’INES ses premiers résultats d’analyse de cycle de vie d’un module photovoltaïque utilisant des cellules tandem pérovskite / silicium hétérojonction.

Les technologies de cellules tandem pérovskite/silicium sont probablement la génération future du photovoltaïque. Constituées en superposant une cellule à base de matériau pérovskite appelée « top cell » sur une cellule silicium « bottom cell », ces tandems promettent un meilleur rendement de conversion de l’énergie solaire reçue, plus élevé que celui des cellules silicium à simple jonction, le standard actuel, pour un coût additionnel faible.

Or aujourd’hui, la prise en compte de l’impact environnemental et l’analyse du cycle de vie des technologies doit guider les efforts de recherche vers des conceptions de cellules et de panneaux photovoltaïques pour un impact minimal sur l'environnement.

Pour autant, il est encore bien difficile de s’orienter pour cette technologie tandem, peu mature, pour laquelle les rendements records, voisins de 30%, n’ont été démontrés que sur des surfaces de l’ordre d’1 cm², et qui utilise en général des procédés de laboratoire pour le dépôt des couches. Le manque de référentiel intégrant les progrès technologiques, résultant du TRL bas de la technologie tandem, associés à l’absence d’inventaire du cycle de vie pour les matériaux constituant les couches de la « top cell », rendent l’analyse environnementale particulièrement complexe. Cela s’explique par le grand nombre de matériaux explorés pour la fabrication des différentes nouvelles couches et par l’absence de procédé figé pour leur mise en œuvre.

La forte variabilité des données et les résultats de l’état de l’art, amplifiée par une expertise encore trop faible de la communauté sur les aspects environnementaux, n’est pas compatible avec les exigences de l’analyse de cycle de vie (ACV) qui requiert un faible niveau d’incertitude et une haute qualité des données.

Crédits : PublicDomainPictures / 17902 - Pixabay

L’intégration économique et environnementale des nouvelles technologies est un axe fort des programmes de R&D développés par l’Institut pour la Transition Energétique INES.2S. Dans ce cadre le CEA et les industriels partenaires ont constitué depuis plusieurs années une suite d’outils et de bases de données de référence pour accompagner leurs développements et choix technologiques.

L’ITE INES.2S a constitué une base de données d’inventaires de référence pour les matériaux potentiels de la « top cell » les plus performants avec des procédés de dépôt transposables à l’échelle industrielle.

Pour répondre aux exigences de l’ACV, l’inventaire de référence a été réalisé en prenant en compte la qualité des données (récence, cohérence, procédé extrapolable aux grandes surfaces, absence de substituts, spécification des déchets…). Ces données de référence ont été intégrées dans la base des données déjà en place au sein de l’institut pour les modules silicium. Une analyse environnementale d’une technologie de référence, un module tandem Pérovskite / silicium hétérojonction (PK/Si-HJT) a ensuite été réalisée avec les données d’inventaire collectées, en comparaison avec d’autres technologies déjà étudiées.

Les résultats de l’étude montrent que la technologie tandem PK/Si-HJT présente un large potentiel de réduction des impacts environnementaux par rapport à un module standard et ce notamment grâce à son rendement élevé. L’ajout des différentes couches de la « top cell » n’augmente pas l’impact environnemental. Le silicium de la « Bottom cell », en raison de son origine chinoise, est le principal contributeur sur l’ensemble des impacts. Fabriquer ces modules tandem en Europe, depuis le silicium, sera donc un élément clé pour réduire les émissions à Gas à Effet de Serre (GES) de plus de 80% pour cette technologie. 

Crédits : INES CEA
Analyse environnementale de la technologie Tandem par rapport aux technologies silicium standard

Ces travaux se poursuivent avec un enrichissement constant de la base de données avec d’autres alternatives de matériaux de couches et de procédés de fabrication. Ils permettront de mettre en place un modèle paramétré d’analyse environnementale des différentes architectures de cellules tandem.

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