Habite à Neuchâtel

Originaire de la vallée de Joux

Né en 1969

Professeur ordinaire, EPFL – Laboratoire de photovoltaïque et couches minces électroniques (PV-LAB)

Directeur du centre photovoltaïque au CSEM (PV-Center)

Fan de ski

Contexte

Le soleil nous donne l’équivalent énergétique de 150 litres d’essence par m2 par année. En 2019, l’énergie photovoltaïque est devenue la source d’électricité la moins chère dans les pays ensoleillés. En Allemagne par exemple, les grands parcs solaires (de l’ordre de 100 mégawatts) produisent de l’électricité à 3.8 euros centimes le kWatt pour le prix le plus bas et à un prix moyen de 4.6 centimes d’euros. À titre de comparaison, les nouvelles centrales à gaz ou nucléaires sont 50% à 300 % plus chères.  

En Suisse et à Neuchâtel en particulier, des programmes de soutien comme la rétribution unique au niveau fédéral et le programme de soutien de la ville de Neuchâtel permettent aux citoyen-ne-s d’investir dans les technologies photovoltaïques. De plus, Viteos reprend l’énergie produite à un tarif acceptable, ce qui n’est pas le cas de tous les groupes électriques de Suisse.

Christophe Ballif

Passionné par la science et les questions environnementales, Christophe Ballif partage son temps entre le laboratoire de l’EPFL, où il gère l’équipe de recherche à Neuchâtel et l’enseignement à Lausanne, et au CSEM, avec des activités dédiées à l’industrialisation. Rencontre avec un chercheur à la personnalité résolument solaire.

Comment le centre de compétences dans le domaine du photovoltaïque a-t-il émergé dans le canton de Neuchâtel ?

Il est né grâce à une évolution du contexte régional et international. Historiquement, les recherches liées au photovoltaïque étaient menées à l’institut de microtechnique de l’Université de Neuchâtel. En 2009, celui-ci a été intégré à l’EPFL, alors que la demande pour les énergies renouvelables solaires était en train d’exploser. Le laboratoire réalisait alors beaucoup de projets industriels, alors que normalement, l’EPFL se concentre plutôt sur la recherche fondamentale. Assez naturellement, l’idée a émergée de développer une partie des activités au CSEM dont le cœur de métier se situe au niveau du transfert de technologies.

Au niveau international, la catastrophe de Fukushima a facilité le développement du centre d’excellence lié au photovoltaïque à Neuchâtel. En effet, la Confédération a décidé de se passer du nucléaire et a relancé les investissements. Cela a permis l’émergence d’une nouvelle structure de recherche au CSEM : le PV-Center. Il a été lancé en 2013, avec un soutien financier de la Confédération de 19 millions pour les quatre premières années, qui a d’ailleurs été renouvelé depuis.  

Au total, ce sont une centaine de personnes qui travaillent aujourd’hui dans le domaine du photovoltaïque et plus globalement sur les systèmes énergétiques entre l’EPFL et le CSEM à Neuchâtel, avec de nombreuses sociétés en liens avec ces équipes.

Qui sont vos clients ?

Le CSEM PV-center a des contrats avec une quarantaine d’entreprises. Une bonne partie sont en Suisse, y compris dans le canton de Neuchâtel. Nous avons également des clients en Europe, aux USA, ou encore en Asie. Mais, en premier lieu, nous cherchons à travailler avec l’industrie suisse, car le CSEM a pour mission d’être un accélérateur national de l’innovation. Il faut cependant admettre qu’être connecté au monde est indispensable, pour savoir ce qui s’y passe et rester compétitif dans cette course à l’énergie propre. Depuis Neuchâtel, nous avons des contacts avec tous les plus grands fabricants mondiaux de panneaux photovoltaïques - contrats, Non Disclosure Agreement, échanges d’échantillons, développements de techniques spécifiques...

Quels sont les projets récents que vous avez développés avec l’industrie neuchâteloise ?

Récemment, nous avons mis au point une nouvelle manière de fabriquer des cellules solaires à très haut rendement dans une technologie dite de silicium cristallin à hétérojonction : du silicium cristallin (famille des semi-conducteurs) est recouvert par des couches de silicium amorphe (quelques dizaines de nanomètres). En collaboration avec le groupe Meyer Burger et son centre de R&D de Neuchâtel, nous avons réussi à mettre en place des processus industrialisables à bas coût. Nous avons également beaucoup travaillé avec le groupe sur les technologies d’interconnexion, c’est à dire à l’assemblage des cellules solaires entre elles. Nous avons par exemple réussi à réduire d’un facteur 5 la quantité d’argent utilisée pour les relier. Près d’un gigawatt (puissance de pointe d’une grande centrale nucléaire) de ces technologies a été commandée au groupe Meyer Burger, un beau succès.

Nous planchons également sur de nouvelles manières de produire des cellules solaires, avec des réacteurs plasma d’un type nouveau, avec Indeotec SA, start-up autrefois incubée chez Neode, qui permettent de simplifier fortement la fabrication de couches minces à haut rendement utiles à d’autres industries. Nous travaillons bien sûr avec Solaxess, une « technology » start-up du CSEM sur les solutions architecturales. Nous contribuons également au développement des simulateurs solaires de nouvelle génération avec la société Pasan SA, basée à Neuchâtel, qui fait partie du groupe Meyer Burger. Nous avons bien sûr des liens étroits avec Blue Bird Photovoltaics, qui fait des produits PV spécialisés. Et nous sommes bien sûr en lien avec de multiples entreprises de la région, en autres pour des applications horlogères ou de revêtements de surfaces, par exemple dans nos maitrises des couleurs jusqu’au noir « absolu », ou encore pour nos cellules solaires intégrées, sur des bracelets de montres ou en cadran.

Quels sont vos principaux axes de recherche ?

J’en citerais sept.

1. Les nouveaux procédés pour le silicium cristallin, pour rendre les panneaux toujours plus performants et moins chers à fabriquer. Nous avons une palette de technologies et de brevets que nous étendons en permanence et de nombreuses collaborations nationales et internationales. Une de nos spécialités est la réalisation de contacts électriques quasiment parfait sur le silicium, appelés contacts passivants.
2. Le développement de produits spéciaux pour le bâtiment et l’architecture : des panneaux photovoltaïques blancs ont été inventés au CSEM. Ils sont maintenant commercialisés par Solaxess, qui a d’ailleurs remporté de nombreux prix. Avec Issol Suisse, filiale de la maison mère belge, nous avons développé des panneaux photovoltaïques couleur tuile. Un prix a été décerné pour la plus belle ferme solaire à Ecuvillens. Cette innovation a fait la couverture de la prestigieuse revue Nature Energy, ce qui montre que les mentalités évoluent, vers l’applicatif.

© EPFL 2019

3. La fiabilité des produits : les panneaux restent une quarantaine d’années sur une toiture, il faut donc assurer la longévité des fonctions électriques : tests aux changements de température, d’humidité, de pression ou encore à des chutes de grêle.  Nous avons un plate-forme unique à Neuchâtel pour fabriquer des feuilles polymères d’encapsulation de haute-qualité, pour faire des modules et les tester de manière accélérée. Une doctorante de l’EPFL a, en collaboration avec le CSEM, a inventé des panneaux photovoltaïques incassables et fiables. Ils ne sont pas en verre et sont légers, ce qui facilite également leur pose.
4. Les Produits spéciaux pour la mobilité : nous développons des panneaux sur mesure pour les missions stratosphériques (SolarStratos par exemple), légers et à haut rendement qui résistent à des cycles de températures de – 60 degrés à + 120 degrés. Nous travaillons aussi sur des solutions pour la navigation ou l’automobile.
5. Les energy harvesters : ce sont de toutes petites cellules solaires intégrables quasiment partout, qui fonctionnent très bien avec peu de lumière. Elles s’intègrent par exemple dans des cadrans de montres ou des boitiers de monitoring, comme source d’énergie d’appoint. En leur rajoutant un capteur et de la communication, ces energy harvester deviennent des pièces centrales de l’infrastructure IOT (Internet Of Things), que nous développons en synergies avec différentes entreprises et bien sûr au sein du CSEM, avec les aspects de miniaturisation, d’intégration systèmes et de faible consommation.
6. Les technologies du futur : les cellules pérovskites combinées avec du silicium ou d’autres matériaux permettraient par exemple d’améliorer sensiblement les rendements, jusqu’à 35 voire 40%. Les cellules perovskites/silicium sont une thématique très en vogue. Il y a cependant encore beaucoup de travail sur la résistance des matériaux dans le temps pour ce type de cellules.
7. L’intégration du photovoltaïque dans le système énergétique : produire de l’énergie solaire, c’est bien, optimiser son utilisation, c’est encore mieux.  Nous devrons par exemple, être capables de stocker l’énergie solaire, de mieux quantifier l’état de charge des batteries et d’améliorer leur utilisation et leur coût. Il nous est déjà possible de simuler des réseaux électriques afin de comprendre la pénétration potentielle du photovoltaïque dans certaines zones des villes. Il est également possible de simuler des systèmes énergétiques complexes, pour une maison, un quartier ou même une ville, en incluant même la transformation d’électricité excédentaire en gaz (power-to-gas). Des analyses avancées, de la maintenance prédictive sont rendues possibles grâce aux techniques du Big Data. C’est un champ très vaste.

À votre avis, quels sont les défis du photovoltaïque dans les années à venir ?

Tout d’abord, il y a le défi du marché qui est d’ordre macropolitique et externe à la technologie elle-même. Sans développement de ce dernier, c’est l’existence même de l’humanité telle qu’on la connait qui est remis en cause. Les Etats doivent appliquer les accords de Paris, prendre leurs responsabilités, c’est à-dire mettre en place les bonnes politiques de décarbonisation de notre système énergétique. Le photovoltaïque sera la solution numéro un pour participer à cette décarbonisation, qu’on aime cette source d’énergie ou non, car son potentiel d’utilisation et de coût est imbattable sur le long terme. Par contre, si le marché du photovoltaïque, qui en est juste à ses débuts stagne, par manque de politiques progressistes où grâce au travail des nombreux lobbies opposés à tout changement, alors l'industrie qui le développe aura du mal à se développer.  

Ensuite, il y a la concurrence chinoise avec des questions liées à la propriété intellectuelle et aux subventionnements directs ou indirects contre lesquelles il est difficile de lutter même en étant à la pointe de l’innovation. Mais les Chinois ont aussi le courage d’investir massivement, d’être efficaces dans la production, et de mettre en place un marché interne pour le solaire.

Concernant la technologie, nous sommes dans un processus continu d’innovation. Récemment, nous avons atteint pour la première fois en laboratoire un rendement de 25 % avec des cellules en silicium relativement simples à produire. De fait, même si les cellules en silicium sont déjà bon marché maintenant, il faut qu'elles soient encore meilleur marché demain et surtout plus efficaces. Il s’agit en effet du levier le plus simple pour faire baisser les coûts de l’électricité solaire (plus de kWh par m2). Pour tous les systèmes photovoltaïques, plus l’électricité solaire est bon marché, plus la marge financière pour gérer les systèmes énergétiques augmente !

La fiabilité est également au centre de nos préoccupations, pour toutes les technologies que nous développons. Depuis quelques temps, les cellules en pérovskite sont au centre de l’attention car leur rendement est très élevé. Par contre, la plupart des dispositifs à pérovskites perdent typiquement 10% de rendement après une année, ce qui n’est pas acceptable (mais qui constitue un grand progrès par rapport à il y a 5 ans).  À titre comparatif, les panneaux cristallins conservent 85 % de leur rendement nominal après 25 ans. Du coup, il y a encore un grand travail à faire pour que les cellules en pérovskite puissent être commercialisées et utilisées sur de longues années.

Enfin, un défi de taille se trouve dans l’environnement construit. Les mentalités du secteur de l’architecture et de la construction doivent évoluer. En effet, depuis environ 5 ans, il est possible d’avoir des toitures ou des façades élégantes grâce aux nouveaux panneaux développés, entre autres avec toutes les nouvelles solutions de colorisation du solaire. J’espère que très rapidement, il sera inimaginable de rénover un bâtiment sans y inclure du photovoltaïque. La toiture de demain doit même être intégralement solaire. C’est rentable, c’est possible de le faire dès aujourd’hui, c’est esthétique, et c’est un début de réponse responsable à un problème global.

Que pensez-vous de l’écosystème d’innovation neuchâtelois ?

Neuchâtel est un canton extraordinaire. J’apprécie à la fois l’écosystème industriel et microtechnique. À Neuchâtel, les gens réfléchissent pour des buts concrets, ils ont la précision dans la peau. L’esprit entrepreneurial est très marqué. Il est soutenu par des institutions excellentes comme le CSEM, la HE-Arc, l’Université ou encore l'EPFL.

Mais nous devons rester alertes et investir pour préserver cette dynamique. Il manque par exemple des Venture Capital. Les soutiens financiers en centaines de milliers de francs permettent difficilement à l’innovation de faire des sauts quantiques. Au niveau institutionnel, à l’étranger, c’est souvent à coup de centaines de millions additionnels, si ce n’est des milliards que les nouveaux programmes de recherche sont soutenus, dans des domaines clés comme l’énergie, l’advanced manufacturing ou la digitalisation. La Suisse est souvent trop frileuse. À corriger, ce d’autant plus que la qualité de la formation, du personnel que l’on peut recruter, et de vie en général est imbattable en Suisse et à Neuchâtel !

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