Production de cellules solaires moins chère grâce au cuivre au lieu de l'argent

Le photovoltaïque est le pilier de la transition énergétique souhaitée. Les développements en cours et les activités de recherche permettent d'améliorer en permanence les rendements et les techniques de production des modules photovoltaïques. Les cellules solaires deviennent donc de plus en plus un produit de masse. Les cellules solaires à hétérojonction sont aujourd'hui à la pointe de la technologie. Elles utilisent relativement peu de silicium, un métal semi-conducteur, et ont donc une faible empreinte carbone. De plus, elles atteignent des rendements très élevés dans la production industrielle de cellules solaires. 

Cependant, l'argent est toujours utilisé dans la production de cellules solaires. Ce métal précieux est responsable de la conduction de l'électricité produite dans la couche de silicium. Mais ces derniers temps, les prix de l'argent ont considérablement augmenté ; entre-temps, l'argent représente environ dix pour cent des coûts de fabrication d'un module photovoltaïque. De plus, les réserves de ce métal précieux sont très limitées. L'industrie solaire à elle seule utilise déjà 15 % de l'argent extrait dans le monde, et la tendance est à la hausse. Il ne faut pas non plus oublier d'autres secteurs, comme l'électromobilité, qui ont également des besoins toujours plus importants en ce métal.

Cuivre pour les contacts des cellules solaires

Est-il donc possible de remplacer l'argent par un autre matériau de manière équivalente ? Et si oui, quelles en sont les conséquences sur les processus de production des cellules solaires ? Des chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour les systèmes énergétiques solaires ISE à Fribourg-en-Brisgau se sont penchés sur ces questions. Une équipe de chercheurs dirigée par le Dr Markus Glatthaar a mis au point un procédé galvanique pour remplacer l'argent par du cuivre dans la technologie prometteuse de l'hétérojonction. Le cuivre est plusieurs fois moins cher et plus facilement disponible que l'argent.

Ceux qui s'intéressent à la galvanoplastie le savent : les surfaces qui ne doivent pas être revêtues doivent d'abord être masquées par une couche non conductrice. Le cuivre ne s'accumule alors dans le bain électrolytique que dans les zones qui ne sont pas recouvertes de cette isolation. Pour cette couche isolante, on utilisait jusqu'à présent des vernis coûteux à base de polymères ou des films laminés. Leur élimination est complexe et coûteuse. L'équipe du Dr Markus Glatthaar a toutefois réussi à remplacer les polymères par de l'aluminium. Tout comme le cuivre, l'aluminium est entièrement recyclable. Le double changement de matériau, de l'argent au cuivre et du polymère à l'aluminium, présente également un double avantage : La production de cellules solaires devient non seulement plus durable, mais aussi nettement moins chère.

Une galvanoplastie innovante et des électrolytes améliorés

Le procédé spécial de galvanisation permet donc désormais de remplacer l'argent par du cuivre. Selon les chercheurs, il a même été possible d'améliorer la conductivité des "busbars", c'est-à-dire le lien entre les différentes cellules solaires. En raison de la structuration au laser utilisée, les lignes de cuivre sont particulièrement étroites. Grâce à la largeur extrêmement réduite de la ligne de cuivre, qui n'est que de 19 μm (micromètres), la couche de silicium qui absorbe la lumière subit moins d'ombre que dans le cas des lignes en argent. Ceci, combiné à la conductivité élevée du cuivre électrodéposé, améliore le rendement électrique.

Mais l'aluminium comme couche de masquage ? L'aluminium est également conducteur, non ? En effet, à première vue, ce métal ne semble pas convenir comme masque. Cependant, l'aluminium a la propriété de s'oxyder rapidement et de former une couche d'oxyde de quelques nanomètres d'épaisseur qui agit comme un isolant. "Nous avons pu adapter les paramètres du processus et développer un type d'électrolyte spécial qui veille à ce que la couche d'oxyde native extrêmement fine de l'aluminium puisse remplir sa fonction isolante de manière fiable. C'était une étape importante pour la réussite de notre projet de recherche", se réjouit le Dr Glatthaar.

Poussée pour une production de cellules solaires plus avantageuse

Les chercheurs en sont convaincus : en tant que matériaux recyclables, le cuivre et l'aluminium peuvent tous deux rapprocher la production photovoltaïque de l'économie circulaire tout en améliorant les normes environnementales et sociales. La prochaine étape a été la création d'une spin-off par le Fraunhofer ISE, qui vise à mettre en place une installation de production pilote début 2023, en collaboration avec des partenaires industriels.

Le remplacement de l'argent par le cuivre pourrait donner un nouvel élan à la production de cellules solaires. En effet, le cuivre est plus facilement disponible que l'argent et ses chaînes d'approvisionnement sont plus courtes. De plus, le prix du cuivre est actuellement moins dépendant des marchés internationaux des matières premières. En juillet 2022, le prix d'une tonne de cuivre s'élevait en moyenne à 7545 dollars. A titre de comparaison, en mai 2021, il fallait encore payer plus de 10 000 dollars par tonne de cuivre.

Sources : Techexplore.com / Fraunhofer ISE