Pourquoi l'Ohio est leader dans le solaire au tellurure de cadmium

Une technologie d'énergie solaire autrefois nouvelle avec des racines de l'Ohio a un moment au soleil, avec deux fabricants de la région de Tolède.

Les scientifiques avaient expérimenté des panneaux solaires au tellurure de cadmium en laboratoire depuis les années 1950, mais la technologie a été commercialisée il y a à peine deux décennies après d'importants travaux préparatoires par deux entrepreneurs de l'Ohio qui ont fondé ce qui allait devenir First Solar.

Après des années de lutte pour une niche à côté des cellules solaires en silicium cristallin moins chères et plus efficaces, le tellurure de cadmium a récemment comblé l'écart en matière de coût et de production d'énergie. Les panneaux de tellurure de cadmium détiennent la plus grande part de marché mondiale parmi les technologies solaires à couches minces, qui utilisent des couches très minces de matériau semi-conducteur, par rapport au silicium cristallin rigide plus épais.

En plus des avancées technologiques, le secteur est sur le point de bénéficier de la politique de la chaîne d'approvisionnement en cours et de la nouvelle législation fédérale sur le changement climatique qui encourage la fabrication nationale.

Ces tendances alimentent un boom de la fabrication solaire dans l'Ohio, où malgré les politiques étatiques et locales hostiles contre les fermes solaires, deux fabricants de tellurure de cadmium ont annoncé des expansions majeures qui promettent de créer des centaines d'emplois dans les années à venir.

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First Solar prévoit d'ouvrir sa troisième usine de l'Ohio plus tard cette année à Lake Township. Cette usine de 3,3 gigawatts sera suivie d'une installation de recherche et développement de 1,3 million de pieds carrés à Perrysburg, dont l'ouverture est prévue l'année prochaine. Les plans prévoient l'ouverture d'une quatrième usine américaine en Alabama en 2025, portant la capacité de production totale de l'entreprise aux États-Unis à environ 10 GW.

Pendant ce temps, Toledo Solar, dont les panneaux sont principalement destinés aux utilisateurs commerciaux et résidentiels, triple sa capacité de production de 100 à 300 mégawatts cette année. Bien que la société soit beaucoup plus petite que First Solar, qui cible le marché des services publics, "c'est un gros problème pour nous", a déclaré le PDG Aaron Bates.

"La région de Tolède, avec ses liens étroits avec l'industrie du verre, était un incubateur naturel dans les premières années de notre activité", a déclaré Kuntal Kumar Verma, directeur de la fabrication chez First Solar. Plus de 20 ans plus tard, le nord-ouest de l'Ohio "abrite un bassin de connaissances sur la fabrication solaire à couches minces qui est peut-être sans précédent dans le monde".

L'histoire d'origine du secteur solaire au tellurure de cadmium dans l'Ohio commence avec deux super-héros de l'industrie du verre.

Harold McMaster a grandi comme garçon de ferme dans le nord-ouest de l'Ohio et Norman Nitschke a passé son enfance à East Toledo. Les deux ont été les pionniers de la fabrication et de l'utilisation du verre trempé - le matériau utilisé pour les pare-brise de voiture afin qu'il ne se brise pas en éclats déchiquetés. Ils sont devenus co-fondateurs de plusieurs sociétés, dont Glasstech.

McMaster et Nitschke ont alors commencé à travailler sur l'énergie solaire via Glasstech Solar. Ce travail a conduit à Solar Cells, Inc. Sous la direction de McMaster, la société a développé le procédé de base de dépôt en phase vapeur pour ses cellules solaires au tellurure de cadmium en 1997.

Le procédé utilise des gaz chauds pour cristalliser une couche de tellurure de cadmium dont l'épaisseur mesure environ 3 % d'un cheveu humain. Cette couche, le verre et d'autres matériaux constituent le "sandwich" du panneau solaire. La production prend moins de temps que celle des panneaux en silicium cristallin, qui représentent la majorité des panneaux solaires utilisés dans le monde.

Après la vente d'une participation majoritaire dans la société à une société d'investissement basée en Arizona, Solar Cells, Inc. est devenue First Solar en 1999 et a ouvert sa première usine de fabrication à Perrysburg.

Pourtant, il a fallu des années avant que l'efficacité des cellules ne s'améliore suffisamment pour devenir compétitive. En 2016, First Solar a atteint une efficacité de conversion énergétique de 22 % en laboratoire. Une étude réalisée en 2019 par des scientifiques de l'entreprise et des chercheurs du Laboratoire national des énergies renouvelables a affiné ce travail, réduisant le risque d'instabilités qui pourraient réduire l'efficacité.

Toledo Solar a choisi la région de Tolède lors de son démarrage en 2019, afin de pouvoir capitaliser sur la base de connaissances constituée par First Solar et les universités voisines. Commencer ailleurs aurait été "un tel ascenseur, et cela coûterait si cher", a déclaré Bates.

Aujourd'hui, l'énergie solaire au tellurure de cadmium est une technologie éprouvée, et elle est compétitive avec le silicium cristallin, a déclaré la scientifique Lorelle Mansfield du National Renewable Energy Laboratory. "C'est sur le terrain. C'est à l'échelle utilitaire. C'est là-bas et ça marche bien", a-t-elle déclaré.

Le secteur du tellurure de cadmium fournit actuellement environ 40 % du marché américain à grande échelle et environ 5 % du marché mondial, selon le US Manufacturing of Advanced Cadmium Telluride Photovoltaics Consortium, ou US-MAC. Les membres comprennent diverses entreprises, des universités et le Laboratoire national des énergies renouvelables.

Un rapport sur les estimations du marché mondial publié en janvier prévoyait que le marché mondial du tellurure de cadmium augmenterait à un taux annuel composé de 12,5 % de 2023 à 2028 à mesure que la transition énergétique se poursuivrait.

Bien que First Solar et Toledo Solar ne soient pas en concurrence, elles et d'autres sociétés de tellurure de cadmium sur le marché mondial sont en concurrence avec le silicium cristallin.

Fin 2020, First Solar a signalé un taux d'efficacité moyen de 18 % pour ses modules commerciaux. C'est au bas de la fourchette de 18% à 22% que le ministère de l'Énergie a signalée pour les panneaux solaires cristallins.

Cependant, le tellurure de cadmium peut "fournir jusqu'à 4% d'énergie en plus dans les climats chauds et jusqu'à 4% d'énergie supplémentaire en cas d'humidité élevée", a noté Verma. L'efficacité théorique des panneaux de tellurure de cadmium est également plus élevée — plus de 30 %. C'est parce que la couche semi-conductrice peut répondre à une plus large gamme d'énergie lumineuse, a déclaré Bates.

Les panneaux de tellurure de cadmium offrent également des économies de coûts de production car ils nécessitent moins de matériaux, moins d'énergie et moins d'eau. Les recherches du NREL ont confirmé l'année dernière qu'elles sont moins intensives en carbone que le solaire cristallin.

Mansfield a noté un gros avantage supplémentaire dont dispose actuellement le secteur du tellurure de cadmium : "C'est une technologie à couche mince qui est fabriquée aux États-Unis"

"Il y a beaucoup d'avantages à cela", a déclaré Jane Harf, directrice exécutive de Green Energy Ohio. Les entreprises sont moins vulnérables aux interruptions de la chaîne d'approvisionnement étrangère.

Même avant la pandémie de Covid-19, les entreprises américaines du secteur du silicium cristallin étaient confrontées à des problèmes de chaîne d'approvisionnement en raison de la domination mondiale de la Chine dans la fabrication des semi-conducteurs qu'elles utilisent. La violation par le pays des règles antidumping a déclenché des tarifs restrictifs sous l'administration Trump. Le Breakthrough Institute et d'autres ont également critiqué la Chine pour avoir recours au travail forcé et à d'autres pratiques de travail déloyales.

En juin dernier, le président Joe Biden a annoncé un sursis de 24 mois sur certains droits d'importation pour les modules et cellules solaires en provenance de Malaisie, du Cambodge, de Thaïlande et du Vietnam. L'objectif était d'approvisionner le marché solaire américain jusqu'à ce que la production nationale de semi-conducteurs en silicium cristallin puisse s'accélérer.

Une conclusion préliminaire du Département du commerce en décembre a révélé un certain contournement des restrictions commerciales dans les quatre pays d'Asie du Sud-Est. Fondamentalement, les entreprises expédiaient des produits chinois aux États-Unis après un traitement supplémentaire mineur. Cela suggère que les importations pour le secteur du silicium cristallin pourraient devenir plus difficiles après juin 2024, bien que la loi fédérale CHIPS de 2022 vise à augmenter la production nationale de semi-conducteurs.

Pour l'instant, la production entièrement nationale signifie que Toledo Solar est la seule entreprise du marché de l'énergie solaire sur les toits qui peut bénéficier du crédit d'impôt intégral de 40 % en vertu de la loi sur la réduction de l'inflation, a déclaré Bates.

Le secteur du tellurure de cadmium n'est pas à l'abri de problèmes potentiels de chaîne d'approvisionnement. Cependant, a déclaré Mansfield, la quantité de matériaux semi-conducteurs nécessaires par panneau est faible. Et de meilleures façons de raffiner les matières premières pourraient maximiser leur approvisionnement, a-t-elle ajouté.

"Nous prenons essentiellement deux sous-produits des flux de déchets miniers - le cadmium et le tellure - et les combinons en un composé stable", a déclaré Verma. À la fin de leur vie utile, plus de 90 % des matériaux des modules peuvent être récupérés.

First Solar s'attend à ce que son usine de Lake Township fournisse 700 emplois en plus des 1 600 emplois dans ses installations existantes de l'Ohio. Les plans prévoient que l'installation de recherche et développement créera 200 autres emplois. Toledo Solar prévoit de créer plus de 250 nouveaux emplois d'ici 2027.

La croissance des deux sociétés attire également d'autres entreprises dans l'Ohio. NSG Pilkington a ouvert une nouvelle ligne de verre flotté à Luckey en 2020, créant environ 150 nouveaux emplois

Et Ice Industries a annoncé l'année dernière qu'elle construirait une usine de 150 000 pieds carrés à Bowling Green pour fabriquer des rails arrière en acier pour panneaux solaires, créant environ 120 nouveaux emplois.

Le consortium US-MAC espère relever les défis actuels. Il y a encore beaucoup de place pour améliorer l'efficacité des panneaux de tellurure de cadmium jusqu'à leur limite théorique, a déclaré Mansfield. D'autres éléments des panneaux peuvent également être améliorés.

Le secteur pourrait être confronté à une concurrence accrue du marché du silicium cristallin à mesure que la production nationale de semi-conducteurs s'intensifie ou en raison d'autres avancées. D'autres technologies à couches minces pourraient également constituer une concurrence. Les chercheurs travaillent également sur des cellules solaires avec des couches semi-conductrices empilées qui répondent à différentes largeurs de bande d'énergie, a déclaré Mansfield.

Ensuite, il y a les cellules solaires en pérovskite, qui peuvent être imprimées ou peintes sur des surfaces. Une étude du 16 février dans la revue Science a rapporté que les cellules solaires en pérovskite avec un peu d'un composé ajouté, appelé DPPP, ont maintenu une efficacité de 23 % pendant deux mois jusqu'à la fin de la période d'étude.

Bien que de multiples défis subsistent, "les cellules solaires à pérovskite pourraient commencer à arriver sur le marché dans quelques années", a déclaré le co-auteur de l'étude, Yanfa Yan, de l'Université de Tolède.

La politique pourrait également affecter la croissance future du secteur du tellurure de cadmium dans l'Ohio.

L'énergie solaire est "toujours une question politique. Et pour moi, ça ne devrait pas l'être", a déclaré Bates. « C'est une question économique. À son avis, les décideurs des États devraient apprécier et soutenir le rôle de leader de l'Ohio dans la fabrication de panneaux solaires.

"C'est le centre de l'hémisphère occidental - point final - pour le solaire", a déclaré Bates.

Kathi est l'auteur de 25 livres et de plus de 600 articles, et écrit souvent sur des questions scientifiques et politiques. En plus de sa carrière de journaliste, Kathi est une ancienne élève de la Harvard Law School et a passé 15 ans à pratiquer le droit. Elle est membre de la Society of Environmental Journalists et de la National Association of Science Writers. Kathi couvre l'état de l'Ohio.