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Interview avec Erik Johnson, spécialiste du photovoltaïque

Le monde est à la recherche d’alternatives aux énergies conventionnelles. Le solaire photovoltaïque a le vent en poupe. Il permet de convertir directement l'énergie solaire en électricité par l’intermédiaire de matériaux semi-conducteurs comme le silicium, contenus dans les cellules des modules photovoltaïques, que nous appelons couramment des panneaux solaires. Erik Johnson, Directeur de recherche au CNRS, directeur adjoint du Laboratoire de physique des interfaces et couches minces (LPICM*), spécialiste du photovoltaïque, donne son éclairage sur la situation actuelle du secteur.
Interview avec Erik Johnson, spécialiste du photovoltaïque

La filière photovoltaïque proposant une alternative aux énergies conventionnelles, connaît une croissance importante depuis quelques années. Pour certains, le soleil c’est une source d’énergie inépuisable et gratuite. Est-ce que vous êtes du même avis ?

Inépuisable et gratuite, sans aucun doute. De plus, le soleil fournit à la surface de la Terre beaucoup plus d'énergie qu’il n’en faut aux êtres humains pour couvrir leurs besoins actuels. En revanche, les êtres humains ont l’habitude de travailler avec les énergies fossiles qui sont accumulés et se sont concentrés pendant des milliards d'années, mais ils n’ont pas l'habitude d’utiliser l'énergie solaire en temps réel comme on le fait avec le photovoltaïque (PV). Le défi principal est de capter cette énergie très diluée et de l’exploiter avec les panneaux sur des énormes surfaces.

Quels sont les pour et les contre du photovoltaïque ?

Le photovoltaïque présente un certain nombre d’avantages. Tout d’abord, c’est une technologie robuste, très développée et à faibles émissions en carbone. Le coût de production de l’électricité solaire photovoltaïque a diminué énormément ces dernières années. La filière peut être compétitive sans être subventionnée dans pleins d'endroits du monde.  Les panneaux photovoltaïques peuvent être installés et utilisés dans une variété de zones climatiques, sur les toits urbains, ou dans les champs. Ce n’est pas le cas, par exemple, des barrages hydroélectriques ou des éoliennes. De plus, aujourd’hui l’énergie photovoltaïque connaît un très bon accueil du grand public.

Quant aux inconvénients…L’énergie solaire est diluée, aléatoire et intermittente. Elle peut varier fortement et rapidement à l’échelle d'une année, d’une journée, et aussi d’une minute. L'utilisation du PV à grande échelle nécessite soit du stockage, un enjeu majeur du développement du photovoltaïque, soit une utilisation plus intelligente de l’énergie.

Le Laboratoire de physique des interfaces et couches minces, avec 6 autres laboratoires de l’IP Paris, est porteur du projet de l’Ecole Universitaire de recherche (EUR) PLASMAScience. Sur quoi travaille le LPICM dans le domaine de la physique des plasmas ? Et comment les plasmas interviennent dans le photovoltaïque ?

En effet, notre laboratoire participe activement à l’EUR PLASMAScience fédérant les chercheurs de l’IP Paris qui travaillent dans de différents domaines en lien avec les plasmas. Nous, au LPICM, nous travaillons sur les plasmas appliqués aux matériaux.

Cependant, les plasmas sont qu'une partie des activités du LPICM, qui est un laboratoire pluridisciplinaire. On mène la recherche fondamentale et appliquée dans les domaines des procédés de dépôt de nanostructures et de couches minces, leur utilisation dans les composants (cellules photovoltaïques, OLEDs, transistors, capteurs, batteries, etc.), ou encore les instruments spectroscopiques pour caractériser tout cela.

Quant aux plasmas, ils sont omniprésents dans le photovoltaïque ! Par exemple pour la fabrication des panneaux. Dans les modules fabriqués à partir des cellules en silicium cristallin (qui constituent plus de 90% des panneaux commercialisés aujourd'hui), les plasmas sont utilisés dans les outils industriels pour créer les couches de passivation, d'anti-reflet, et même les couches de semi-conducteurs dopés ou les électrodes transparentes.

Les chercheurs et les ingénieurs du LPICM travaillent donc avec les plasmas pour explorer de nouvelles pistes pour le photovoltaïque ou pour l’énergie en général. Par exemple, pour développer des procédés innovants de dépôt de couches minces dans les panneaux solaires. Leurs études couvrent différentes morphologies de couches, des matériaux semi-conducteurs (comme les semi-conducteurs III-V), des structures (par exemple les nano-fils), où des applications (batteries). En ce moment, mon équipe travaille sur une nouvelle technique pour la création de cellules photovoltaïques à contact arrière interdigité. On croit que c’est la solution clé pour augmenter l’efficacité des cellules solaires en silicium et pour réduire le coût de fabrication dans l’industrie.

Vous travaillez donc étroitement avec le monde industriel ?

Nos recherches ont toujours suscité un vif intérêt des industriels. Déjà dans les années précédentes, le LPICM a beaucoup travaillé avec l’industrie dans le domaine du photovoltaïque, parfois directement, parfois via les consortiums des projets français et européens.  A présent, nous avons une collaboration directe avec TotalEnergies à travers « PISTOL », la Chaire Industrielle ANR que je porte. Puis, le LPICM fait aussi partie de l'Institut photovoltaïque d’Ile-de-France (IPVF), une collaboration entre l’X, le CNRS, et plusieurs industriels (TotalEnergies, EDF, Air Liquide, Horiba, Riber).

Les échanges avec les industriels confrontent les chercheurs à la réalité économique de la filière photovoltaïque. Cela peut être parfois frustrant, mais en même temps, cela peut pousser les scientifiques à trouver de nouvelles idées et solutions. Ce qui a été, par exemple, mon cas ; j’ai dû commencer à réfléchir différemment et considérer l'effet des coûts sur l'intérêt de mes idées.

Quels sont les défis à relever dans le domaine du photovoltaïque ?

Le défi dans le photovoltaïque est de faire des modules plus efficaces. On a vécu une période bouleversante ces dernières années, quand le prix d'un module a diminué tellement que beaucoup de technologies "bon marché" (c’est-à-dire pas très efficaces mais pas très chères) qui semblaient être une bonne solution auparavant, ne tiennent plus la route. Donc le but maintenant est d'augmenter le rendement énergétique, sans trop augmenter le coût, ni réduire la durée de vie. Il y a plus de contraintes aujourd’hui, mais aussi plus de pragmatisme.

Est-ce que cette thématique attire les jeunes ?

Les jeunes sont très intéressés par l’énergie solaire. J'ai le plaisir d'enseigner un cours sur la photovoltaïque à l'X (PHY558B), je peux donc témoigner de l’intérêt des étudiants. La création de l’IPVF a donné encore plus de visibilité à la recherche portant sur l’énergie solaire et a rendu notre laboratoire encore plus attractif. Du coup, chaque année nous avons beaucoup de candidats (stages, thèses) qui veulent explorer ce domaine.

Pensez-vous que les jeunes aujourd’hui sont plus sensibles aux problèmes environnementaux que les générations de leurs parents ? Si oui, pourquoi à votre avis ?

En effet, je l’ai bien constaté. Ma jeunesse s’est passée au Canada. Nous étions déjà plus conscients que nos parents des problèmes liés à l'environnement, mais les actions restaient limitées : respecter la nature, recycler, replanter les arbres, ne pas jeter des déchets sur la voie publique …. Nous roulions dans les V6 4L, tout seuls, sans nos parents, mais nous ne jetions rien par la fenêtre ! Cependant, à l’époque, le réchauffement climatique n'était pas au cœur d’actualité.

Aujourd’hui, les jeunes voient bien que les gestes de chacun pour protéger la planète sont importants et bénéfiques, mais qu’ils ne résolvent pas le problème de base.  Ils participent maintenant activement au débat public sur l’avenir de la planète (transition énergétique, pollution, ressources naturelles limités etc.). Cette prise de conscience est importante chez les jeunes, et je suis persuadé que la communauté scientifique y a joué un rôle clé ! Les alertes des chercheurs, des scientifiques ont permis de remonter les informations au grand public et de mettre le sujet sur la table, ce qui a fait aussi réagir les gouvernements et les industriels. Go science !

 

*LPICM : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique - Institut Polytechnique de Paris