Toutes les technologies qui font des promesses en laboratoire ne parviennent pas à se lancer sur le marché. La concurrence des produits existants, les défis en matière d'évolutivité et les coûts de développement et de production élevés font partie des obstacles les plus fréquents sur le chemin menant d'une découverte scientifique à un produit commercialement réussi.
Que peuvent faire les chercheurs et l'industrie pour augmenter le taux de réussite ? Une équipe de chercheurs et d'experts de l'industrie s'est penchée sur cette question dans une publication parue dans la revue spécialisée « Nature Energy », en prenant l'exemple des technologies de cellules solaires. « Nous voulions comprendre quelles conditions doivent être remplies du côté académique et du côté industriel pour développer une cellule solaire qui puisse s'imposer à long terme sur le marché », explique Mirjana Dimitrievska, chercheuse à l'Empa et première auteure de l'étude.
Les chercheurs ont analysé deux nouveaux matériaux pour les cellules solaires en couches minces : Le diséléniure de cuivre, d'indium et de gallium, connu sous l'abréviation CIGS, ainsi que la pérovskite. Ces deux semi-conducteurs sont – du moins en théorie – parfaitement adaptés aux cellules solaires et atteignent déjà en laboratoire des valeurs record en termes d'efficacité de conversion énergétique. En d'autres termes, ils convertissent une grande partie de la lumière solaire incidente en électricité, ce qui en fait des matériaux prometteurs pour la production d'énergie durable.
Deux technologies, une promesse
Le développement des cellules solaires CIGS a atteint son apogée dans les années 1990 et 2000. Poussée par les prix élevés du silicium, la technologie a été étudiée comme alternative aux cellules solaires en silicium. Les cellules solaires d'un nouveau genre ont établi des records d'efficacité,
notamment à l'Empa. Des entreprises ont été créées dans le monde entier et des investissements publics et privés considérables ont été réalisés. Mais le développement s'est ensuite effondré. Le processus de fabrication relativement coûteux et complexe des cellules s'est avéré trop cher à l'échelle pour de nombreuses entreprises – surtout après une baisse des prix du silicium. La technologie du silicium, déjà bien établie, a pris le dessus sur le « nouveau venu » CIGS.
Les cellules solaires en pérovskite ne sont développées que depuis une vingtaine d'années. Elles atteignent également des valeurs d'efficacité élevées. En outre, elles peuvent être fabriquées selon différents procédés, dont des procédés d'impression potentiellement peu coûteux. En 2025, plus de 500 millions de dollars américains ont déjà été investis dans cette technologie prometteuse. Les cellules solaires en pérovskite sont
également développées à l'Empa – et commercialisées par
la spin-off Perovskia Solar. Mais les cellules solaires en pérovskite n'ont pas encore trouvé un large marché, car ce nouveau matériau présente lui aussi des défis. « Les pérovskites ne sont pas encore très stables », explique Mirjana Dimitrievska. « Elles sont très sensibles aux influences environnementales ». De plus, les cellules solaires en pérovskite, contrairement à celles en CIGS, n'ont guère été testées sur une longue période dans des conditions environnementales réelles.
Plus que l'efficacité
Pour que ces faiblesses ne soient pas fatales à la nouvelle technologie, Mirjana Dimitrievska et ses coauteurs ont formulé quelques recommandations. « Nous devrions apprendre de nos erreurs, notamment de l'expérience de la commercialisation des cellules CIGS », explique la chercheuse. Concrètement, les auteurs recommandent de se concentrer sur des propriétés telles que la résistance, la stabilité et la durabilité du matériau plutôt que sur de nouveaux records d'efficacité, et d'envisager également des études de terrain à long terme. « Il est bien plus important pour l'industrie que le produit ait une longue durée de vie, qu'il soit fiable et que sa fabrication soit peu coûteuse, plutôt que de gagner quelques points de pourcentage d'efficacité », dit Mirjana Dimitrievska. « Mais dans la recherche, ce sont surtout les records d'efficacité qui sont récompensés ; ils donnent lieu à des publications de haut niveau et attirent des fonds de recherche ».
Pour combler cet écart, la recherche et l'industrie devraient collaborer plus tôt, selon les auteurs de l'étude. Les chercheurs souhaitent un peu plus d'ouverture de la part de l'industrie. « Parfois, nous abordons un partenaire industriel avec une idée et ils nous disent : ‹ Nous avons déjà essayé cela il y a dix ans, cela ne fonctionne pas ›. Si de tels résultats négatifs étaient publiés, la recherche avancerait beaucoup plus vite ».
De leur côté, les scientifiques devraient intégrer les besoins de l'industrie le plus tôt possible, recommandent les auteurs. « Les instituts de recherche comme l'Empa sont particulièrement forts en la matière, car ils sont généralement plus proches de l'industrie que les hautes écoles », explique Mirjana Dimitrievska. « Les instruments de financement comme Innosuisse sont également très précieux, car ils soutiennent des développements de produits très concrets ».
La bonne cellule solaire pour chaque application
Bien que les cellules solaires en pérovskite aient encore un long chemin à parcourir, la chercheuse est optimiste. « De nombreuses recherches sont menées pour surmonter les défis posés par les pérovskites », dit-elle. Les cellules solaires CIGS connaissent elles aussi actuellement un nouvel essor. Mirjana Dimitrievska et ses coauteurs ne voient pas le rôle de ces deux technologies à couche mince comme des concurrents des cellules solaires au silicium, mais comme un complément précieux. Les pérovskites et les CIGS permettent de fabriquer des cellules solaires qui sont légères, flexibles et extrêmement fines. Elles peuvent être utilisées partout où le silicium est trop lourd et peu flexible, par exemple dans l'Internet des objets, la mobilité ou les textiles intelligents. Les technologies dites « tandem » sont également de plus en plus développées : La combinaison du silicium avec une couche mince de CIGS ou de pérovskite permet d'augmenter encore l'efficacité des cellules solaires.
Les auteurs estiment donc que les investissements dans les nouvelles technologies restent importants et nécessaires. « Le silicium n'est pas le meilleur semi-conducteur pour les cellules solaires », relativise Mirjana Dimitrievska. « Mais cette technologie est développée depuis plus de 70 ans et a déjà été fortement optimisée grâce à des recherches et des investissements continus. Si la recherche et l'industrie travaillent en étroite collaboration, il est possible de faire de même pour la pérovskite et le CIGS ».