Considérons l'ascension vertigineuse de l'énergie solaire aux États-Unis : au cours de la dernière décennie, la capacité solaire a augmenté de près de 900 pour cent, et la production d'électricité en 2023 était huit fois supérieure à celle de 2014. Rien qu'entre 2022 et 2023, cette augmentation a atteint 51 pour cent, avec un record de 32 gigawatts (GW) d'installations solaires mises en service. Au cours des quatre dernières années, l'énergie solaire ajoutée au réseau a dépassé celle de toute autre source de production. La capacité solaire installée dépasse désormais 179 GW, suffisante pour alimenter près de 33 millions de foyers. Le Département de l'Énergie des États-Unis (DOE) est tellement optimiste quant au soleil que ses plans de décarbonation prévoient que l'énergie solaire répondra à 45 pour cent des besoins électriques du pays d'ici 2050.

Mais l'expansion rapide continue de l'énergie solaire nécessite des progrès technologiques, notamment pour améliorer l'efficacité et la durabilité des matériaux et des procédés de fabrication en matière de photovoltaïque solaire (PV). C'est là qu'intervient Optigon, une entreprise issue du MIT, créée il y a trois ans.

« Notre objectif est de créer des outils destinés à la recherche et à l'industrie qui puissent accélérer la transition énergétique », déclare Dane deQuilettes, cofondateur et directeur scientifique de l'entreprise. « La technologie que nous avons mise au point pour l'énergie solaire permettra de mesurer et d'analyser les matériaux dès leur fabrication, aussi bien en laboratoire qu'en ligne de production, ce qui accélérera considérablement l'optimisation des panneaux photovoltaïques. »

Fort de ses racines dans la dynamique communauté de recherche solaire du MIT, Optigon se prépare à déployer en 2024 une technologie qui, selon lui, accélérera considérablement le rythme des projets d'énergie solaire et d'autres énergies propres.

Au-delà du silicium

Le silicium, matériau de base de la plupart des panneaux photovoltaïques, est limité par les lois de la physique quant à l'efficacité qu'il peut atteindre pour convertir les photons du soleil en énergie électrique. En théorie, les cellules solaires à base de silicium peuvent atteindre un taux de conversion d'énergie de 30 pour cent seulement, tandis que dans le monde réel, leur efficacité se situe plutôt dans les bas vingt pour cent. Mais au-delà des limitations physiques du silicium, un autre problème se pose pour de nombreux chercheurs et pour l'industrie solaire aux États-Unis comme ailleurs : la Chine domine le marché du silicium pour les panneaux photovoltaïques, depuis les chaînes d'approvisionnement jusqu'à la fabrication.

Les scientifiques recherchent avec enthousiasme des matériaux alternatifs, soit pour améliorer la capacité de conversion solaire du silicium, soit pour remplacer entièrement le silicium.

Au cours de la dernière décennie, une famille de semi-conducteurs à structure cristalline appelés pérovskites est devenue l'un des candidats les plus prometteurs en tant que matériau photovoltaïque de nouvelle génération. Les dispositifs à base de pérovskites se prêtent à un procédé de fabrication novateur utilisant la technologie d'impression, ce qui pourrait contourner le géant de la chaîne d'approvisionnement que la Chine a établi pour le silicium. Les cellules solaires à pérovskite peuvent être empilées les unes sur les autres ou superposées à des modules photovoltaïques en silicium, permettant ainsi d'obtenir des rendements de conversion plus élevés. Étant donné que la technologie à base de pérovskite est flexible et légère, ces modules peuvent être installés sur des toitures et d'autres structures incapables de supporter des modules photovoltaïques en silicium plus lourds, ce qui réduit les coûts et ouvre la voie à une gamme plus large de dispositifs solaires intégrés aux bâtiments.

Mais ces nouveaux matériaux nécessitent des tests, tant durant la recherche et le développement qu'en ligne de montage, où des propriétés optiques, électriques ou dimensionnelles manquantes ou défectueuses dans les structures cristallines de taille nanométrique peuvent avoir un impact négatif sur le produit final.

« Les processus réels de mesure et d'analyse des données ont été extrêmement lents, car il faut utiliser un tas d'outils distincts qui sont tous très manuels », déclare Anthony Troupe ’21, cofondateur et directeur général d'Optigon. « Nous souhaitions mettre au point des outils permettant d'automatiser la détection des propriétés d'un matériau, de déterminer s'il pourrait constituer une bonne ou une mauvaise cellule solaire, puis de l'optimiser. »

« Notre approche intègre dans un seul système plusieurs mesures optiques sans contact utilisant différents types de sources lumineuses et de détecteurs, ce qui permet d'obtenir, ensemble, une vision globale et transversale du matériau », déclare Brandon Motes, diplômé 2021 en génie mécanique, diplômé 2022 en génie mécanique, cofondateur et directeur technique.

« Cette percée dans l'obtention de temps d'échelle de millisecondes pour la collecte et l'analyse des données signifie que nous pouvons désormais utiliser des outils de qualité de recherche et les intégrer véritablement dans un système de production complet, obtenant ainsi des informations extrêmement détaillées sur les produits en cours de construction à une échelle massive, de plusieurs gigawatts, en temps réel », déclare Troupe.

« Ce système rationalisé effectue des mesures « en un clin d'œil, contrairement aux outils traditionnels », déclare Joseph Berry, directeur du Consortium américain pour la fabrication de pérovskites avancées et chercheur senior au Laboratoire national des énergies renouvelables. « Les techniques d'Optigon sont très précises et permettent un débit élevé, ce qui signifie qu'elles peuvent être utilisées dans de nombreux contextes où l'on souhaite obtenir un retour d'information rapide et la capacité de développer des matériaux très, très rapidement. »

Selon Berry, la technologie d'Optigon pourrait offrir à l'industrie solaire non seulement de meilleurs matériaux, mais aussi la capacité de produire des modules photovoltaïques de haute qualité à un rythme plus rapide qu'actuellement. « Si Optigon réussit à déployer sa technologie, nous pourrons développer plus rapidement les matériaux dont nous avons besoin, en assurant à chaque fois une fabrication avec la précision requise », déclare-t-il. « Cela pourrait conduire à la prochaine génération de modules photovoltaïques à un coût nettement, nettement inférieur. »

Mesurer fait la différence

Grâce au financement du programme de recherche sur l'innovation pour les petites entreprises accordé par le DOE afin de commercialiser ses produits, ainsi qu'à une subvention du Massachusetts Clean Energy Center, Optigon a établi son siège dans l'incubateur de technologies climatiques Greentown Labs à Somerville, Massachusetts. Ici, l'équipe se prépare au lancement, ce printemps, de son premier produit commercial, dont la genèse remonte au programme de recherche GridEdge Solar du MIT.

Dirigé par Vladimir Bulović, professeur de génie électrique et directeur de MIT.nano, le programme GridEdge a été mis en place grâce au financement des Tata Trusts afin de développer des cellules solaires légères, flexibles et peu coûteuses, destinées à être distribuées aux communautés rurales du monde entier. Lorsque deQuilettes a rejoint l'équipe en 2017 en tant que postdoctorant, il a été chargé de diriger le programme et de mettre en place l'infrastructure nécessaire à l'étude et à la fabrication de modules solaires à base de pérovskite.

« Nous cherchions à comprendre, une fois le matériau fabriqué, s'il était bon ou non », se souvient-il. « Il n'existait aucun outil commercial de métrologie [la science des mesures] performant pour les matériaux autres que le silicium ; nous avons donc commencé à en concevoir nous-mêmes. » Conscient du besoin croissant du groupe d'acquérir une expertise plus approfondie sur ce problème, notamment dans les domaines de l'ingénierie électrique, logicielle et mécanique, deQuilettes a lancé un appel à des chercheurs de premier cycle afin qu'ils l'aident à développer des outils de métrologie pour les nouveaux matériaux solaires.

« Quarante personnes se sont renseignées, mais quand j'ai rencontré Brandon et Anthony, quelque chose a fait tilt ; il était évident que nous possédions des compétences complémentaires », déclare deQuilettes. « Nous avons commencé à travailler ensemble : Anthony concevait de magnifiques designs permettant d'intégrer plusieurs mesures, tandis que Brandon créait des cartes de contrôle pour gérer tout le matériel, y compris différents types de lasers. Nous avons commencé à déposer plusieurs brevets, et c'est à ce moment-là que nous avons vu tout s'assembler. »

« Nous savions dès le départ que la métrologie pouvait considérablement améliorer non seulement les matériaux, mais aussi les rendements de production », déclare Troupe. DeQuilettes ajoute : « Notre objectif était d'atteindre les niveaux de performance les plus élevés beaucoup plus rapidement qu'il ne l'aurait été habituellement ; nous avons donc mis au point des outils qui seraient utiles non seulement aux laboratoires de recherche, mais aussi aux lignes de fabrication, afin de fournir un retour d'information en temps réel sur la qualité. »

L'appareil Optigon, conçu pour l'industrie, a la taille d'un ballon de football : « avec des ensembles de capteurs entassés dans un format extrêmement compact, il effectue des mesures tandis que le matériau circule directement en dessous », explique Motes. « Nous avons également réfléchi attentivement aux moyens de rendre l'interaction avec cet outil aussi fluide et, je dirais même, aussi agréable que possible, en transmettant les données à la fois vers un tableau de bord que l'opérateur peut surveiller et vers une base de données personnalisée. »

La photovoltaïque n'est que le début.

L'entreprise a peut-être déjà trouvé sa niche sur le marché. « Un groupe de recherche nous a payés pour utiliser notre prototype interne parce qu'il éprouve un besoin urgent d'obtenir ce genre de mesures », déclare Troupe, et selon Motes, « Des clients potentiels nous demandent s'ils peuvent acheter le système dès maintenant. » DeQuilettes ajoute : « Nous espérons devenir l'entreprise de référence pour toute sorte de métrologie de caractérisation aux États-Unis et au-delà. »

Des défis attendent Optigon : lancement de produits, fabrication à grande échelle, assistance technique et ventes. Greentown Labs offre son soutien, tout comme la riche communauté de chercheurs et d'entrepreneurs en énergie solaire du MIT lui-même. Mais les fondateurs réfléchissent déjà aux prochaines étapes.

« Nous ne nous limitons pas au domaine du photovoltaïque », déclare deQuilettes. « Nous prévoyons de travailler sur d'autres matériaux d'énergie propre, tels que les batteries et les piles à combustible. »

C’est parce que l’équipe souhaite avoir le maximum d’impact sur le défi climatique. « Nous avons beaucoup réfléchi au potentiel que nos outils auront pour réduire les émissions de carbone, et nous avons mené une analyse très approfondie afin d’examiner comment notre système peut augmenter les rendements de production des panneaux solaires et d’autres technologies énergétiques, tout en réduisant les matériaux et l’énergie gaspillés par l’optimisation conventionnelle », déclare deQuilettes. « Si nous examinons tous ces secteurs, nous pouvons espérer compenser environ 1 000 millions de tonnes métriques de CO2 [dioxyde de carbone] par an dans un avenir pas trop lointain. »

L'équipe a intégré l'échelle dans son plan d'affaires. « Nous voulons être le principal catalyseur pour mettre ces nouvelles technologies énergétiques sur le marché », déclare Motes. « Nous envisageons de les déployer sur chaque ligne de fabrication produisant ce type de matériaux. Notre objectif est de pouvoir nous promener et de savoir que, si nous voyons un panneau solaire installé, il y a une forte probabilité qu'il ait été mesuré par nos soins à un moment donné. »

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