Environnement

AXT inc. - Des cellules solaires au germanium pour un avenir plus vert

21/08/2008
AXT inc. - Germanium solar cells fuel greener future

Selon M. Philip Yin, d’AXT, spécialiste américain des substrats semi-conducteurs, l’utilisation des substrats de germanium pour les cellules solaires photovoltaïques offre un meilleur rendement que celle des substrats de silicium.

M. Yin est le président du conseil d’administration et le directeur général de AXT Inc., un grand fabricant de substrats semi-conducteurs composés à haute performance pour la production de circuits intégrés à base d’arsénure de gallium (GaAs), de phosphure d’indium (InP) et de germanium (Ge). Sur le plan commercial, AXT a été le pionnier du procédé de la «congélation à gradient vertical» [vertical gradient freeze (VGF)], qui génère des substrats presque dépourvus d’imperfections pour les dispositifs électroniques. M. Yin croit fermement en l’utilisation des substrats de Ge pour les cellules solaires photovoltaïques (PV), qui constituent une source d’énergie alternative non négligeable.

Pourquoi l’énergie solaire est-elle si importante?

Aujourd’hui, tout le monde, ou presque, a entendu parler de l’«énergie solaire» et chacun sait qu’elle provient des rayons du soleil. L’idée que nous puissions un jour profiter d’une électricité gratuite grâce au soleil est effectivement fascinante. Environ 1 000 Watts d’énergie par mètre carré de surface de la Terre proviennent du soleil lors d’une journée ensoleillée avec un ciel dégagé. La possibilité d’alimenter gratuitement en énergie nos maisons, nos bureaux, nos usines et peut-être même nos voitures est pour le moins séduisante.

En outre, l’utilisation des cellules solaires réduit considérablement notre dépendance vis-à-vis des combustibles fossiles et contribue à la conservation d’une planète bien plus verte. Si nous voulons exploiter les sources d’énergie renouvelables à l’avenir, nous devons commencer par réfléchir dès aujourd’hui au développement de sources d’énergie propres, vertes et durables, telles que l’énergie solaire, et ce pour le bien des générations futures.

Quelles sont les perspectives commerciales de la technologie photovoltaïque?

Entre les éclairages publics à l’énergie solaire au Venezuela et les sommets et conférences sur l’énergie PV prévus aux quatre coins du monde, en passant par la multitude d’informations disponibles sur internet au sujet des cellules solaires et de la technologie PV, les entreprises du monde entier ne négligent pas les possibilités d’investir dans cette écotechnologie. Les retours sur investissements sont en effet colossaux et des dizaines de start-ups viennent chaque année se joindre aux grandes multinationales déjà actives dans le domaine de la technologie des cellules solaires. En outre, le rôle joué par les autorités publiques dans cet engouement ne doit pas être sous-estimé. Aux États-Unis, des législations au niveau des États et des programmes financés au niveau fédéral permettent aux entreprises d’investir à moindre risque.

Les entreprises et les centres de recherche nationaux travaillent en étroite collaboration afin de mettre sur le marché des produits novateurs. Aux États-Unis toujours, le National Renewable Energy Laboratory (NREL) effectue des recherches dans le domaine photovoltaïque et se concentre sur la réduction de la dépendance américaine vis-à-vis de l’électricité produite au moyen de combustibles fossiles via l’abaissement du coût de l’électricité livrée et l’amélioration de l’efficacité des modules et systèmes PV. La recherche du NREL dans le secteur PV contribue à ces objectifs grâce à la recherche fondamentale, à des matériaux et des dispositifs avancés, ainsi qu’au développement technologique.

Quels sont les matériaux utilisés pour ces cellules?

Les cellules solaires photovoltaïques font l’objet de deux applications primaires. L’une est spatiale, et destinée aux satellites, et l’autre est terrestre, et vise la production d’énergie solaire. La grande majorité des dispositifs à cellules solaires commercialisés aujourd’hui sont à base de substrats de silicium, essentiellement pour des applications terrestres. Parmi les principaux fabricants figurent GE Energy (États-Unis), Schott Solar (Allemagne) et SHARP (Japon) – ce dernier se targuant d’être le plus grand producteur au monde de cellules solaires.

Un autre substrat est toutefois en pleine expansion et offre une efficacité bien supérieure: le germanium. Les cellules solaires à base de germanium représentent déjà plus de 80 % des applications satellitaires. Elles sont utilisées pour leur production électrique, leur plus grande efficacité et leur taux de conversion supérieur. L’efficacité des cellules solaires à base de silicium sur le marché avoisine les 19 à 21 %, tandis que celle des cellules solaires à base de germanium s’élève approximativement à 30 à 35 %.

D’un point de vue technique, l’expansion des substrats de germanium est aussi favorisée par les dispositifs photovoltaïques à concentration (voir aussi l’encadré ). L’utilisation de miroirs ou de concentrateurs à lentilles augmente le flux solaire de 100 à 500 fois. La société d’études de marché Strategy Analyti prévoit que l’ensemble du marché des dispositifs photovoltaïques à concentration (qui ne représente pour l’instant qu’un 1 % du marché total) affichera un taux de croissance annuel composé supérieur à 350 % jusqu’en 2012.

À l’heure actuelle, dans le monde entier, de grands acteurs économiques encouragent l’utilisation des substrats de germanium, que ce soit dans le secteur privé ou dans le secteur public. De grandes multinationales telles qu’Emcore et Spectrolab  (détenues par Boeing) sont les principaux utilisateurs du germanium et il est très probable que, outre les préoccupations environnementales, elles utilisent les cellules solaires à base de germanium pour la compétitivité de leur prix au Watt, dans une optique d’efficacité globale. Ces deux entreprises exploitent d’importantes centrales énergétiques terrestres.

En Europe, Emcore envisage d’installer un système photovoltaïque à concentration en Castille-La Manche (ES) d’ici décembre 2008 et est en train de construire un parc solaire de 850-kW en Estrémadure (ES), lequel devrait être terminé en juillet 2008. Cette entreprise a aussi déclaré qu’elle fournirait un système photovoltaïque à concentration pour le marché canadien/coréen et qu’elle espérait parvenir d’ici 2010 à un taux d’efficacité de plus de 45 % pour son système photovoltaïque à concentration. La société espagnole Acciona devrait quant à elle inaugurer «Nevada Solar One», non loin de Las Vegas aux États-Unis.

Par ailleurs, le gouvernement américain comprend l’importance de l’éco-innovation dans ce secteur et injecte des sommes d’argent considérables dans des programmes solaires destinés à améliorer l’efficacité générale du germanium. Par exemple, l’agence américaine DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency ) a lancé un programme étalé sur 48 mois, et estimé à environ 50 millions de dollars américains, dans le but de parvenir à une efficacité allant jusqu’à 50 % pour les cellules solaires au germanium.

Quelle est la contribution d’AXT?

AXT est l’une des rares entreprises au monde à disposer de l’infrastructure nécessaire pour fournir des substrats de germanium en quantités commercialisables. Nous utilisons une technologie novatrice appelée «la congélation à gradient vertical» qui offre une densité presque dépourvue d’imperfections. Étant donné la forte hausse du prix du germanium ces derniers mois et la menace de pénurie de métaux, nous accordons une entière priorité à l’innovation technique qui réduira les coûts (environnementaux) directs et indirects tout en améliorant les performances. En effet, AXT reconnaît que la durabilité des ressources naturelles va de pair avec la durabilité du marché, un marché chaque jour plus vert.

La période est en effet fort captivante pour ceux qui investissent dans cette technologie verte et prometteuse. Seul le temps nous dira quelles avancées majeures auront lieu dans un avenir proche et feront monter d’un échelon supplémentaire la technologie des cellules solaires. Une chose est sûre: la Terre et ses habitants tireront profit du dévouement et du travail rigoureux de ceux qui se consacrent aujourd’hui aux technologies environnementales.

Contact: M. Philip Yin, AXT – philip.yin@axt.com

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Exemples européens

Les fabricants européens de germanium, comme Umicore[1], sont actifs dans le domaine des systèmes photovoltaïques depuis un certain temps déjà. En Belgique, le centre de recherche sur la nanoélectronique IMEC[1] a récemment annoncé une efficacité de conversion record de 24,7 % dans une cellule solaire GaAs à simple jonction. L’efficacité a été mesurée et confirmée par le NREL aux États-Unis. IMEC voit en l’amélioration de l’efficacité de cette cellule à simple jonction un progrès supplémentaire dans l’élaboration d’une cellule solaire hybride à triple jonction monolithique ou assemblée mécaniquement, destinée à être utilisée dans les panneaux solaires satellitaires et dans des concentrateurs solaires terrestres.

La Plateforme technologique européenne pour l’énergie photovoltaïque[1] concentre ses recherches sur l’amélioration de la performance des systèmes photovoltaïques au silicium. Les systèmes à base de germanium sont aussi analysés dans le cadre des efforts déployés sur les technologies photovoltaïques émergentes.

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Les cellules solaires à haut rendement

Si les substrats de silicium jouent un rôle majeur dans le domaine de l’énergie photovoltaïque, les substrats de germanium sont très largement utilisés dans les applications spatiales, où leur taille réduite, leur rendement supérieur et leur plus grande production énergétique sont cruciaux. Les dispositifs photovoltaïques à base de germanium sont désormais aussi utilisés dans des applications terrestres où, associés à des systèmes optiques qui concentrent les rayons du soleil sur de fines tranches, ils sont bien plus efficaces que les dispositifs à base de silicium, ce qui compense la différence de coût. Par ailleurs, le germanium est un matériau plus rare que le silicium, mais les déchets résultant du traitement du charbon et du zinc en renferment des réserves considérables.