Dossier : L’essor du solaire photovoltaïque

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Décryptages

Les différents types de technologies photovoltaïques

Trois technologies principales sont aujourd’hui mises en œuvre dans la filière photovoltaïque : la plus importante, et de loin, utilise un matériau très abondant, le silicium ; la technique des « couches minces » associe divers matériaux en les projetant en très fines couches sur un support ; la technique dite du « photovoltaïque à concentration » consiste à diriger sur les cellules jusqu’à 1 000 fois la lumière du soleil…

Panneaux solaires sur pilotis de l'atoll de Fakarava, en Polynésie Française. © PAUL VERONIQUE / TOTAL

La filière silicium

Elle s’appuie sur un matériau semi-conducteurUn semi-conducteur est un matériau dont la capacité à conduire l’électricité (la conductivité), initialement faible, peut augmenter en fonction de certains facteurs..., le siliciumLes cristaux de silicium sont issus de la silice, principal composant du sable et du quartz. Le silicium est un matériau semi-conducteur. qui a l’avantage de pouvoir être produit à partir d’une ressource naturelle quasi inépuisable, le quartz, un composant des granites, des sables et des grès. Les panneaux solaires constitués à partir des cellules (voir encadré) présentent aussi l’intérêt majeur de pouvoir être utilisés aussi bien dans de grandes fermes solaires que sur de petites installations autonomes. Les technologies mises en œuvre sont bien maîtrisées, depuis plusieurs années. Il n’est donc pas surprenant que la « filière silicium » représente aujourd’hui 90 % du marché mondial.

Améliorer les performances en COUne fois en place, les installations photovoltaïques produisent de l’électricité sans émettre de CO2. Toutefois, la production des modules photovoltaïques est énergivore, donc émettrice de gaz à effet de serre. Il faut de 1 à 2 ans et demi de fonctionnement d’un système photovoltaïque pour qu’il produise autant d’énergie que celle consommée pour la fabrication du matériel. Ce sont les processus de traitement à haute température des cellules qui sont responsables de cette situation. Les chercheurs s’efforcent de réduire cette exigence de chaleur et d’amincir les plaquettes. La technologie des couches minces est susceptible d’améliorer la performance des processus de fabrication en matière d’émissions de CO2. 

 

Deux familles peuvent être distinguées dans la filière silicium :

  • la première est constituée de plaquettes de silicium monocristallin, élaborées à partir d’un bloc de silicium très pur, formé d’un seul cristal. Le procédé industriel pour l’obtenir est lourd et coûteux, mais il permet d’obtenir des cellules avec quelques 20 % de rendement (qui est le rapport entre la puissanceEn physique, la puissance représente la quantité d'énergie fournie par un système par unité de temps... électrique de sortie et la puissance lumineuse incidente). Le record en phase industrielle, sur une pièce de 125x125 mm2, est détenu par SunPower (24,2 %). En outre, le circuit électrique est placé sur la face arrière de la cellule, ce qui améliore sa performance. Ainsi, on ne verra pas sur ces modules le rainurage qu’on observe sur les autres types. L’avion solaire Solar Impulse a été fabriqué avec de telles cellules.
  • la seconde est constituée de cellules de silicium multicristallin. C’est un matériau moins pur et meilleur marché, mais le rendement tourne autour de 15 %. Les groupes chinois sont leaders sur ce segment. Le coût inférieur de la cellule a assuré son fort développement mondial, mais le niveau de rendement électrique est bien sûr un élément déterminant dans le calcul final de la rentabilité financière des installations photovoltaïques. (Voir le décryptage : « Photovoltaïque: une filière de plus en plus compétitive »).  

Les couches minces

Le découpage des plaquettes dans les blocs de silicium génère environ 30 % de pertes. Les chercheurs ont introduit une approche par couches minces, d’une épaisseur de 2 microns, déposées sur un substrat de verre ou un support souple. Empilées, elles permettent d’exploiter les qualités des différents matériaux qui les composent, notamment leur capacité à utiliser chacun une longueur d’onde lumineuse un peu différente.

Les couches minces regroupent deux familles :

  • la première utilise le tellure de cadmium, moins cher que le silicium mais peu abondant et potentiellement toxique pour l’environnement. Le groupe américain First Solar est le leader mondial de cette technologie.
  • la seconde s’appuie sur un alliage de cuivre, indium et sélénium (CIS), auquel s‘ajoute parfois du gallium (CIGS).  Ces deux techniques permettent une très bonne absorption de la lumière. Mais les ressources en gallium sont limitées et l’indium est déjà très utilisé par les fabricants d’écrans plats. Le japonais Solar Frontier occupe ce créneau.

Des polymères organiques peuvent aussi être utilisés (voir encadré).

La filière photovoltaïque organique (OPV)Les chercheurs travaillent sur la possibilité d’utiliser des polymères organiques dans la technique des couches minces. Les polymères organiques sont des plastiques issus de ressources renouvelables (plantes, algues ou animaux). Leur coefficient d’absorption de la lumière étant très important, les composants organiques peuvent être étalés en couches de très faible épaisseur sur des supports flexibles. La technologie doit relever deux défis principaux : augmenter le rendement des cellules et allonger leur durée de vie (environ 1 000 heures).

Le photovoltaïque à concentration

Une autre voie pour augmenter la puissance des cellules photovoltaïquesDispositif qui transforme l'énergie lumineuse en courant électrique. est de concentrer sur elles la lumière du soleil à partir d’un miroir parabolique ou d’une lentille de Fresnel (photovoltaïque à concentrationLe principe des panneaux solaires photovoltaïques à concentration est de focaliser le rayonnement solaire sur les cellules photovoltaïques...). On peut atteindre de très hautes concentrations, jusqu’à 1 024 fois la lumière du soleil. La technique permet d’envisager des rendements photovoltaïques de 30 % mais le dispositif est complexe. D’une part, il faut évacuer la chaleurAujourd'hui, en thermodynamique statistique, la chaleur désigne un transfert d'agitation thermique des particules composant la matière... résiduelle pour ne pas altérer les cellules. D’autre part, les modules qui rassemblent les cellules doivent être équipés d’un système de pointage pour rester en position optimale par rapport au soleil, ce qui implique des mécanismes délicats et coûteux, qui ne peuvent être installés que sur des grands parcs solaires. Le groupe allemand Soitech est très présent sur ce secteur.

Du silicium au module

Le silicium est obtenu en portant à très haute température un mélange de quartz, de charbon et de bois. Le matériau brut obtenu doit être purifié à 99,999 % pour être de qualité solaire. Le bloc de silicium est tranché en fines plaquettes, les « wafers », par des scies au carbure de silicium ou au diamant.

Les wafers subissent ensuite diverses transformations. Pour améliorer leur absorption de la lumière, ils sont plongés dans un bain de texturation, qui leur donne cette couleur souvent bleutée. Passés dans un four, ils reçoivent du phosphore ou du boreLe bore est un élément chimique (symbole B) de type métalloïde et semi-conducteur... pour doper le silicium semi-conducteur.

On obtient ainsi les cellules, unités élémentaires qui, exposées aux photons de la lumière, produisent de l’électricité grâce à l’effet photovoltaïqueL'effet photovoltaïque se traduit par la génération d'un courant électrique sous l'effet de l'impact de photons.... Un circuit électrique est imprimé à la surface, ce qui permettra de transférer le courant généré. Les cellules se présentent généralement sous la forme de plaques carrées de 160 à 200 microns d’épaisseur et d’une douzaine de cm de côté.

Les cellules sont ensuite connectées entre elles, encapsulées entre deux feuilles de résine et recouvertes d’un verre et d’un film étanche, pour former les modules photovoltaïques. Ces modules, ou panneaux photovoltaïquesUn panneau solaire photovoltaïque, ou module photovoltaïque, est un assemblage de cellules photovoltaïques reliées entre elles..., sont ensuite assemblés pour constituer des systèmes photovoltaïques, qu'ils s’agissent de grandes fermes solaires ou de petites installations.