SOYPV

SOYPV développe et fabrique des cellules photovoltaïques flexibles, ultralégères et à haut rendement à base de couches minces CIGS (Cuivre, Indium, Gallium, Sélénium ou Soufre). Leur rendement de conversion est voisin de celui des cellules en silicium (≥ 20%). Déposées sur substrat souple (feuillards métalliques, polymères, etc.), elles peuvent être 50 fois plus légères et leur flexibilité est telle qu’on peut leur donner une forme courbe avec faible rayon de courbure sans perte de rendement. On peut ainsi les adapter à des infrastructures de formes diverses, les enrouler sur elles mêmes pour les stocker et les dérouler pour utiliser l’énergie solaire au moment voulu. Les performances énergétiques des cellules PV en CIGS sont équivalentes à celles des cellules en silicium. Si on exprime leur sobriété énergétique en équivalent CO2 émis par kWh produit (20g/kWh), celle-ci est voisine de l’énergie nucléaire, 20 fois supérieure à celle du gaz naturel, 40 fois à celle du pétrole et 50 fois à celle du charbon. Si on invoque la récupération instantanée de l’énergie solaire, celle-ci est (au rendement près : 200W/m2) incomparable par rapport aux sources d’énergie fossiles ou fissiles. Elle est aussi plus directe que pour l’énergie éolienne. Comme pour le PV en silicium, les rendements de conversion du PV en CIGS pourront être augmentés jusqu’à plus de 30% grâce à l’utilisation de configurations tandems de type CIGS-perovskite.

43 % des consommations énergétiques annuelles en France et 23 % des émissions de gaz à effet de serre (GES) sont aujourd’hui imputables au secteur du bâtiment. Le photovoltaïque participera de façon croissante à la décarbonation de ce secteur. Le gouvernement veut ainsi atteindre 48,1 GW de capacité PV en 2030 et 140 GW d’ici 2050, dont une partie importante devrait être affectée au secteur du bâtiment. Dans cette perspective, l’intérêt du photovoltaïque CIGS léger et flexible est multiple. Trois exemples : 1. les toitures légères ou de formes incurvées pour lesquelles l’adaptabilité et la légèreté même des cellules sont des caractéristiques favorables, 2. les façades des bâtiments où le photovoltaïque peut être déployé à volonté, 3. l’évènementiel ou le non pérenne (habillage de bâtiments et monuments, barnums, surfaces de chantier, …). À titre d’illustration du premier exemple, SOYPV prévoit d’équiper les toitures du bâtiment d’Orsay, qui l’abrite (> 1000 m2), pour atteindre un taux d’autoconsommation en électricité de sa ligne pilote. SOYPV a, par ailleurs, été sélectionné comme lauréat 2023 de l’appel à manifestation d’intérêt “Quartiers Métropolitains d’Innovation” piloté par Paris & co pour un projet de démonstration en milieu urbain de cellules flexibles. Les datasheet ci-après illustrent le deuxième exemple cité précédemment. Comme pour la flexibilité énergétique, le gain énergétique apporté par les cellules photovoltaïques légères et flexibles à base de couches minces est difficile à évaluer, mais il est bien réel et sera de nature à s’accroitre. En se basant sur la place de marché occupée aujourd’hui par ce type de cellules (5%) et en étant optimiste sur leur développement, on peut estimer un gain énergétique associé de 10%.

Le photovoltaïque est déjà flexible énergétiquement parlant, dans la mesure où la production électrique est souvent couplée au réseau électrique. La production d’énergie peut donc être utilisée sur place ou à des autres endroits du réseau. Cela étant, il est clair que l’intégration massive des énergies renouvelables nécessitera à terme des moyens accrus de flexibilité du réseau. Plus spécifiquement, la flexibilité mécanique des cellules CIGS et leur légèreté permet de les utiliser en des endroits ou sur des infrastructures considérées jusqu’à présent comme non accessibles aux cellules photovoltaïques rigides (notamment sur substrat en verre). On peut aussi facilement désinstaller les cellules CIGS flexibles pour les réinstaller en d’autres endroits. On peut enfin les déployer à un moment opportun (très ensoleillé) pour les ré-enrouler et les stocker à d’autres moments. Trois exemples, empruntés à l’entreprise SolarCloth avec laquelle SOYPV collabore, sont présentés dans les datasheet. Il est difficile d’estimer le gain énergétique apporté par cette “souplesse d’utilisation”, mais il est bien réel et sera de nature à s’accroitre avec le développement de ce type de cellules PV. La place actuelle du photovoltaïque en couches minces dans le marché mondial du photovoltaïque est d’environ 5%. En étant optimiste et en tablant sur un développement relativement, on peut estimer un gain énergétique associé de 10%.

Il est important de souligner qu’avec l’emploi de procédés d’électrodépôt dans la fabrication des cellules CIGS, les flux entrants de cuivre, d’indium et de gallium seront pratiquement utilisés à 100%, alors qu’ils ne le sont que très partiellement dans les dépôts sous vide par co-évaporation ou par pulvérisation. Il est, par ailleurs, prévu de recycler l’eau de rinçage utilisée entre chaque bain d’électrolyse en boucle fermée de façon à réduire à zéro le rejet d’effluents. Les bains d’électrolyse, dont la durée de vie est de plusieurs années, sont eux-mêmes recyclables par des procédés bien établis. Il existe aussi des procédés bien établis pour le recyclage des cellules CIGS usagées. Les matériaux toxiques tels que le Cadmium sont exclus des procédés de fabrication de SOYPV. L’approvisionnement en matériaux de base (Indium, Gallium, Sélénium) peut être assuré au niveau de français ou européen, préservant ainsi l’indépendance par rapport à l’Asie contrairement à d’autres secteurs. Une étude est en cours (projet ADEME France 2030) pour estimer précisément le gain énergétique associé à l’utilisation à 100% des flux de matériaux entrants dans la fabrication des cellules ainsi qu’au recyclage des eaux de rinçage. Ces avantages sont, en effet, partiellement compensés par une consommation d’eau plus importante que dans le cas de dépôts sous vide. Le chiffre de 20%, que nous donnons pour l’instant, ne représente qu’un objectif à atteindre.

Le caractère innovant de SOYPV réside dans le fait que ses procédés de fabrication des cellules PV en CIGS sont des procédés électrolytiques de dépôt de couches à pression atmosphérique alors que la concurrence (encore réduite, mais fortement émergente) utilise des procédés de dépôt sous ultravide, particulièrement onéreux. Grâce à l’utilisation de l’électrodépôt à grande surface (procédé qui s’apparente à la galvanoplastie), une réduction du coût de production d’un facteur 3 à 4 est prévue face à la concurrence, laquelle est associée en grande partie à la réduction de la consommation énergétique lors de la fabrication. Outre l’avantage d’un coût réduit, l’électrodépôt permet aussi une meilleure gestion des matériaux utilisés (électrolytes) pour la production ainsi que leur recyclage plus direct. La fabrication complète des cellules photovoltaïques se fait en 3 étapes : 1. dépôts électrochimiques des couches de cuivre, indium, gallium; 2. recuit des couches électrodéposées sous atmosphère de sélénium ou de soufre; 3. dépôts physiques (pulvérisation cathodique) des couches fenêtres des cellules. L’électrodépôt des couches Cu, In, Ga se fait en des temps de l’ordre de la minute alors que dans le cas de dépôts sous vide, les temps peuvent être de l’ordre de l’heure. La dépense énergétique de fabrication est donc significativement abaissée dans le cas de l’électrodépôt.