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Jean-Claude MULLER : Membre du Programme interdisciplinaire énergie du CNRS - Institut d’électronique du solide et des systèmes InESS (UMR 7163, CNRS-ULP)
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Avant la fin de la première moitié de ce siècle, la conversion directe de la lumière du soleil en électricité grâce au photovoltaïque (PV) devrait franchir le seuil qui le rendra compétitif par rapport aux autres sources de production d’électricité.
Dans le dossier Électricité photovoltaïque- Principes, les principes de la conversion photovoltaïque ont été donnés. Ils incluent des notions relatives à l’énergie transmise par le soleil, des éléments de physique des semi-conducteurs, les mécanismes de conduction de charges électriques, les caractéristiques électriques fondamentales du dispositif photovoltaïque et son usage en tant que générateur de courant. En conclusion, une application pratique donne une évaluation rapide du dimensionnement d’une installation photovoltaïque.
Dans les pages suivantes, on s’intéresse aux différentes filières d’élaboration du dispositif photovoltaïque. En effet, il reste des verrous technologiques à lever relatifs à la fabrication des cellules solaires, qui sont trop gourmandes en énergie et qui ont des répercussions sur l’environnement : si la cellule photovoltaïque produit de l’électricité sans aucun rejet dans l’atmosphère, beaucoup de procédés actuels de fabrication sont proches de ceux de la microélectronique et mettent en jeu trop d’opérations qui nécessitent l’usage de produits chimiques et de gaz extrêmement toxiques. La dernière partie est consacrée à des exemples d’applications du photovoltaïque en sites isolés ou connectés à des réseaux, ainsi qu’à l’évolution du marché et des prix du kilowattheure photovoltaïque à l’horizon 2040.
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1. Matériaux et filières technologiques
Nous avons représenté sur la figure 1 les évolutions des rendements de conversion des meilleures cellules de laboratoire pour les différentes filières d’élaboration de dispositifs photovoltaïques. La plus ancienne est la filière du silicium cristallin (Sc-Si), avec des premières cellules réalisées par Bel Lab. (USA) en 1954, en même temps que la réalisation des premières diodes et transistors. Elle reste toujours la voie la plus avancée sur le plan technologique et industriel. Pour les cellules à base de plaquettes en silicium cristallin, les rendements en laboratoire sont de 24,7 % et on atteint les limites théoriques du silicium. Pour les rendements sur de grandes surfaces, l’avenir passe par une réduction drastique des coûts et une constante augmentation des rendements industriels au-delà des 16 à 17 % actuels.
Les couches minces à base de silicium amorphe (a-Si) et de cuivre-indium-sélénium (CIS) ont commencé à être étudiées dans les années 1970, avec une industrialisation trop rapide et décevante pour la première, et une progression du rendement de conversion plus prometteuse pour la seconde. Pour ces filières, les rendements industriels stagnent autour des 10 %. L’objectif majeur reste l’augmentation des rendements de conversion pour le silicium (amorphe, polymorphe, micro- et poly-cristallin) ainsi que pour les matériaux composés à base de chalcogénures (CIGS).
Les filières à base de films minces de silicium polycristallin et à base de matériaux organiques sont encore au stade du laboratoire et peinent à obtenir des rendements à la hauteur des espérances (courbes d’évolution escomptées pour les performances en trait plein ou pointillé sur la figure 1). En effet, pour les cellules à base de matériaux organiques, le rendement de conversion est de 3,5 % en début de vie.
Les cellules du futur, à base de matériaux nano-structurés, restent au niveau du concept, et une recherche fondamentale de base est encore nécessaire.
1.1 La filière silicium
Comme près de 95 % des cellules sont à base de silicium cristallin (figure 2), nous donnons au lecteur un minimum de connaissance de ce matériau et de ses procédés de fabrication.
Le silicium est l’un des éléments les...
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