Vers un photo­voltaïque encore plus durable

Le photovoltaïque (PV) s’impose comme une technologie incontournable dans la transition énergétique mondiale. Grâce à la baisse continue des coûts de pro­duc­tion et à l’amélioration des rendements, il est devenu l’un des moyens les plus compétitifs pour produire de l’électricité à faible impact environnemental. En effet, une fois installé sur un bâtiment ou dans un champ, un panneau solaire produit de l’électricité grâce au soleil sans apport de combustible ou d’énergie, ce qui le rend propre et durable. La Suisse a déjà été séduite par cette technologie, la puissance photovoltaïque installée dépassant les 8 GW et couvrant désormais 10% de la consommation électrique nationale. À l’échelle européenne, les ambitions de neutralité carbone à l’horizon 2035 nécessiteront l’installation de près de 9 TW de capacité PV, principalement à base de silicium cristallin.

Or, la fabrication de panneaux solaires dans de tels volumes mobilisera de nombreuses ressources, dont certaines peuvent être critiques (par exemple l’argent et le silicium), et pourrait générer des impacts environnementaux non négligeables. De plus, un panneau solaire abîmé, cassé ou trop peu performant deviendra alors un déchet nécessitant un recyclage efficace. Ainsi, pour garantir un développement durable à l’échelle du térawatt, il devient essentiel d’évaluer ces impacts avec rigueur et d’orienter les choix technologiques en conséquence. C’est pourquoi le CSEM a intégré l’analyse du cycle de vie (ACV) dans ses travaux de recherche et d’innovation.

L’analyse du cycle de vie et ses défis

L’analyse du cycle de vie est une méthode rigoureuse permettant d’évaluer les impacts environnementaux d’un produit depuis l’extraction des matières premières jusqu’à sa fin de vie, en passant par sa fabrication et son utilisation (figure 1). L’impact du produit sur l’environnement est quantifié selon plusieurs indicateurs tels que l’empreinte carbone, la consommation de ressources (en eau, énergie fossile, minéraux et métaux), l’acidification des océans, ou encore la pollution atmosphérique. L’ACV offre une vision globale et structurée, indis­pen­sable pour orienter les choix technologiques vers des solutions plus durables.

L’ACV appliquée au photovoltaïque est confrontée à un défi majeur: la rapidité d’évolution des technologies rend obsolètes les inventaires de données. Les bases de données telles qu’Ecoinvent, souvent utilisées pour les ACV, reposent sur des données anciennes (équivalentes à 2005), qui ne reflètent ni les pro­ces­sus de production, ni les performances actuelles des modules photovoltaïques, dont la majorité est désormais produite en Chine.

Mise à jour de l’empreinte carbone du photovoltaïque

Le CSEM a mené plusieurs études comparatives sur les technologies solaires les plus répandues, notamment sur celle des cellules à hétéro­jonction (HJT), en se basant sur des inventaires récents établis grâce à la littérature scientifique [1,2] et à ses partenaires. Une première analyse en 2022 [3] a permis de quantifier l’empreinte carbone de la production d’un module HJT chinois, en le comparant aux données historiques disponibles dans les bases de données d’ACV. Les résultats sont sans appel: alors qu’un module Al-BSF (Aluminium Back Surface Field) affiche une empreinte carbone de 91 g CO₂-eq/kWh (données équivalentes à 2005), un module HJT de 2020 descend à 19 g CO₂-eq/kWh, pour atteindre seulement 8 g CO₂-eq/kWh en 2024 (tableau 1). Ces résultats sont en accord avec la littérature scientifique [2,4] ainsi qu’avec les déclarations environnementales récentes [5]. Les modules basés sur les technologies PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) et TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact), également très répandus sur le marché du solaire, présentent une empreinte carbone légèrement supérieure à celle des HJT (0 à 20% d’impact additionnel) [3]. À noter que ces chiffres représentent uniquement la production du module PV, auxquels les impacts environnementaux de l’onduleur, des câbles et de la structure de montage doivent être ajoutés, tout comme les valeurs liées à la fin de vie (recyclage) de ces composants.

Origine de l’impact et leviers de réduction

L’impact environnemental d’un module PV provient essentiellement de sa fabrication, notamment de l’extraction des matériaux. La phase d’utilisation est quasiment neutre, et la fin de vie représente environ 7% de l’impact total [3]. L’impact de la fin de vie du module PV peut être davantage réduit, voire repré­sen­ter un bénéfice environnemental sous réserve d’un recyclage efficace et d’une réutilisation des matières recyclées (aluminium, cuivre et verre, notamment).

La figure 2 représente l’impact environnemental de la production d’un module HJT fabriqué en Chine en 2022:

• 86% de son impact sur les ressources en minerais et métaux proviennent de la métallisation en argent des cellules et des modules. L’industrie a d’ailleurs drastiquement réduit la teneur en argent des pâtes métalliques (de 100% en 2020, à 10-15% en 2025), diminuant ainsi l’impact environnemental et les coûts de production.
• 64% de son empreinte carbone sont liés à la fabrication des plaquettes de silicium. Cet impact est majoritairement dû aux importantes quantités d’énergie nécessaires au raffinage du silicium.

La réduction de l’empreinte carbone des modules PV ces dernières années, représentée dans le tableau 1, est le fruit de plusieurs évolutions telles que, notamment, la diminution de l’épaisseur des plaquettes de silicium (de 270 µm en 2005, à 115 µm en 2024) et l’amélioration de leurs processus de production, ainsi que l’amélioration du rendement énergétique des cellules et des modules photovoltaïques (jusqu’à 23,4% en 2024).

Enfin, selon des recherches plus récentes menées au CSEM, les deux leviers principaux pour diminuer l’empreinte environnementale d’un module solaire consistent à prolonger sa durée de vie (elle atteint actuellement entre 25 et 30 ans) et à décarboner sa chaîne de production. En effet, un panneau solaire installé produit aujourd’hui en moyenne l’équivalent de l’énergie nécessaire à sa fabrication en moins de deux ans. Moins sa fabrication nécessitera d’énergie et plus longtemps il produira de l’énergie, plus l’impact environnemental du panneau solaire par quantité d’énergie électrique délivrée sera faible.

Un nouvel outil paramétrable

L’analyse du cycle de vie reste une démarche complexe, souvent réservée aux spécialistes. Elle nécessite une collecte de données précise, une maîtrise des logiciels dédiés et un temps d’analyse conséquent. Pour rendre cette approche plus rapide et accessible à tous, le CSEM a développé un outil interne d’ACV automatisée (figure 3), relié à sa base de données des modules photovoltaïques. Ce logiciel permet de simuler en quelques secondes l’impact environnemental d’un système PV, en intégrant les paramètres techniques (type de module, puissance, épaisseur des plaquettes de silicium, matériaux du cadre) et contextuels (site d’installation, orientation, durée de vie). Cet outil génère automatiquement des rapports clairs et complets, incluant des graphiques et tableaux synthétiques sur la composition et l’impact environnemental des installations solaires. L’interface, pensée pour les ingénieurs et les chercheurs, facilite l’exploration de scénarios variés et la comparaison de solutions. Elle permet notamment d’identifier les leviers d’amélioration dès les premières phases de conception, ce qui en fait un véritable outil d’écoconception et d’aide à la décision pour les projets industriels et de recherche.

L’écoconception en pratique: l’exemple des tuiles solaires

Au-delà du PV standard, le CSEM développe de nombreuses applications pour les cellules solaires en collaboration avec ses partenaires. L’outil ACV a été utilisé dans plusieurs projets, dont une étude menée avec Freesuns, fabricant de tuiles solaires. L’objectif consistait à comparer deux générations de tuiles solaires, chacune comprenant un modèle mat et un modèle transparent.

Les résultats ont montré que les tuiles solaires de dernière génération, plus performantes, permettent une réduction de l’empreinte carbone de 5 à 10% (selon le modèle choisi) par rapport à la génération précédente, tout en apportant une plus-value esthétique aux bâtiments (figure 4). L’impact principal (hors cellules en silicium) provient du verre utilisé, ce qui oriente les stratégies d’écodesign pour les futurs produits de Freesuns.

Perspectives

En mobilisant son expertise technologique, une approche méthodologique rigoureuse et des outils numériques adaptés, le CSEM cherche à accompagner l’évolution du photovoltaïque vers des solutions plus durables.

La durabilité des futures technologies solaires, notamment pérovskite et tandem (silicium-pérovskite), mérite également d’être analysée en profondeur afin de réduire les impacts potentiels de l’implémentation de ces technologies solaires à large échelle. Dans ce contexte, le CSEM collabore au projet Solaris [6] visant à la mise en place d’une plateforme d’inventaires dédiée au photovoltaïque, conçue pour faciliter et harmoniser la réalisation d’ACV tout en évaluant la circularité et l’utilisation optimale des ressources pour le PV. Il est également impliqué dans plusieurs projets européens, inscrits dans des initiatives d’envergure telles que le passeport numérique des produits (Digital Product Passport), qui vise à améliorer la traçabilité et la transparence environnementale des technologies (projet Empower [7]).

Cette démarche d’écoconception, initialement appliquée au photovoltaïque, est également mise en œuvre au CSEM dans le domaine de l’électronique verte, à travers des projets visant à réduire l’empreinte carbone des composants élec­tro­niques. Intégrée dès la phase de conception, l’analyse du cycle de vie devient un outil stratégique pour relever les défis environnementaux de nombreux secteurs. Elle permet non seulement d’évaluer les impacts, mais aussi d’orienter les inno­vations vers un avenir plus responsable.

Littérature complémentaire

• CSEM, «Sustainable photovoltaics: Eco-design, LCA & Circularity».
• CSEM, «Sustainable electronics for IoT solutions and sensors».
• Matthieu Despeisse, Marine Olesen, Gianluca Cattane, John Morello, Jacques Levrat, «Tuiles solaires: quand le PV se fait discret», Bulletin Electrosuisse 6/2024, p. 25-29, 2024.

Références

[1] R. Frischknecht, P. Stolz, G. Heath, M. Raugei, P. Sinha, M. de Wild-Scholten, «Methodology Guidelines on Life Cycle Assessment of Photovoltaic», International Energy Agency  EA), PVPS Task 12, 2020.

[2] A Louwen, «Assessment of the energy performance, economics and environmental footprint of silicon heterojunction photovoltaic technology», dissertation, Utrecht University, 2017.

[3] Alexis Barrou, «Life Cycle Assessment of Heterojunction Solar Cells. From Raw Materials to Final Devices», master thesis, EPFL, 2022.

[4] Amelie Müller et al., «A comparative life cycle assessment of silicon PV modules: Impact of module design, manufacturing location and inventory», Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 230, 111277, 2021.

[5] Environmental Product Declaration library.

[6] www.solaris-project.eu

[7] www.empower-horizon.eu