La conversion photovoltaïque de l énergie solaire : Etat de l art et perspectives

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1 Energie solaire photovoltaïque et son stockage : technologies, enjeux et applications, UIMM 24 Novembre 2010-Paris La conversion photovoltaïque de l énergie solaire : Etat de l art et perspectives Daniel Lincot, Sébastien Delbos Institut de recherche et de développement sur l énergie photovoltaïque (IRDEP-UMR 7174 CNRS-EDF-ENSCP/ParisTech)

2 D. Lincot & JF Guillemoles, IRDEP (CNRS-EDF-Chimie Paristech), 5th June 2010

3 Plan La ressource Le rendement La production la compétitivité Les acteurs Les filières Les enjeux

4 La ressource

5 1 tep = 11,6 MWh 1 baril = 159 litres IRDEP

6 Les rendements

7 Historique 1839 E. Becquerel Le découvreur 1877 W.G. Adams & R.E. Day Cellules Se 1% Chapin &Fuller &Person Si(6%) Source : J.C. Muller

8 La production

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10

11 PV Status report _pv_report_2010.pdf

12

13

14 _etatdeslieux pdf

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16 Les coûts

17 Couches minces CdTe IRDEP

18 Les champions actuels : First Solar, technologie CdTe 0.65 $/W in 2010 annouced

19 La compétitivité Coût total système : Modules + systèmes électriques 2010 : 4-7 Euros /W installé Fermes solaires : 2-3 Euros /W Productible : kwh/m2 par an sur 20 ans Coût du kwh photovoltaïque Concept de parité réseau : coût PV = prix de détail classique

20 PV Platform

21

22

23 PV Electricity will be competitive within the next years

24 Les acteurs

25 Les 13 premiers en 2005 Sharp (Jp) Q-Cells (All) Kyocera (Jp) Sanyo(Jp) Mitsubishi(Jp) Schott Solar(All) BP Solar (UK) Suntech (China) Motech (Taiwan) Shell Solar (NL) Isophoton (Es) Deutsche Cell (All) Photowatt (Fr)

26 Les filières Voir l article qui vient de sortir en kiosque : «L électricité, fille du soleil» numéro spécial sur l énergie Dossier Pour la science Oct-Dec 2010, page D. Lincot, J.F. Guillemoles, P. Roca i Cabarrocas, L. Escoubas, A. Slaoui

27 2-5 microns 81 % 1,7% electron hole Cadmium telluride solar cell 9,6 % 5,3% Glass SnO2 N CdS P-CdTe C

28

29

30 La filière silicium en plaquettes : record 24,7 % Modules 12-20%, 81% marché

31 IEEE PVSEC 2009 D. Lincot SLC Autrans Oct. 2009

32 D. Lincot SLC Autrans Oct Autres tendances : Tranches fines (100 microns) Découpe Laser

33 La filière silicium couches minces Rendement : 6-8 % Laboratoire : 13 % 5,6% production electron hole Dépôt des couches par Dépôt CVD des Plasma couches à partir par de silane et hydrogène

34 Source : J. Wanegue, Valencia 2008 D. Lincot SLC Autrans Oct. 2009

35 Source Photon Magazine March 2009 Modules photovoltaïques flexibles et légers

36 D. Lincot SLC Autrans Oct. 2009

37 Les cellules solaires CdTe Laboratoire : 16,5 % Modules : 11% Production 10% Verre (3mm) SnO 2 (0.5 mm) N CdS (0.5 mm) P CdTe (2-5 mm) Back Contact (2 micron) EVA Verre (3 mm) 6

38 10.8 % Module efficienciesin R.pdf

39 La filière CIS (Cuivre Indium Sélénium) Laboratoire : 20,3 % Modules : 8-13% Production : 1,7 % Contact CdS, ZnS 50nm Verre EVA ZnO (1 mm) Cu(In,Ga)Se 2 (2 mm) Mo (0,5 mm) Contact Verre

40 D. Lincot SLC Autrans Oct Source : Prof Nakada ZnO CdS 1μm CIGS SLG 7 ITO Mo

41 La connectique «monolytique» des panneaux en couches minces J ph Schematic view of a monolithic integrated CIGS solar module V ph J ph V ph J ph ZnO (1 µm) CdS (0.05 µm) 1st Patterning CIGS Mo (2 µm) Glass (0.5 µm) (2-3 mm) Mise en série des cellules 2nd Patterning 3rd Patterning Par Courtoisie : Dr. Hans W. Schock (IPE)

42 D. Lincot SLC Autrans Oct La maison Zen (Zero Energy Net) in Chambery of Alain Ricaud Positive energy house in France PV System CIS (Sulfurcell) 13.5 kwp kwh/year for 9000 kwh/year consumption

43 Cellules CIGS sur des substrats flexibles K. Otte et al. Thin Solid Films 511(2006)613 T> 500 C T < 400 C

44 Current Density (ma/cm²) Flexible & lightweight CIGS solar cells on polymer films World Record Efficiency of 13.2% (No AR coating, total area) V OC = 646 mv FF = 68.7 % J SC = 29.8 ma/cm² = 13.2 % cell area = cm² Bias Voltage (mv) 600 Recent development: 14.1% efficiency measured at ISE-FhG ETH Zurich Thin Film Physics Group, Laboratory for Solid State Physics

45 Meilleurs rendements : Coévaporation sous ultravide Coûts élevés

46 Méthodes bas coûts : Sérigraphie, électrolyse Rendement plus faibles mais coûts faibles Substrate Efficiency Air Mass Index Soda Lime Glass 13.6% AM1.5 ª Molybdenum Foil 13.0% AM1.5 Titanium Foil 9.5% AM1.5 Polyimide Film 9.3% AM0 b

47 Réaction globale à la cathode Cu 2+ + In HSeO H e - CuInSe H 2 0 Réaction à l anode H 2 O ½ O H e - Dépôt électrolytique (IRDEP Nexcis) Puis recuit électrode de référence e - potentiostat e - Record : 11,5 % Modules proto : 8-9 % Industrialisation en cours cathode Cu 2+ HSeO 3 - In 3+ Na + SO4 2- anode H 2 0, H + 11

48 Les autres filières

49 Source NREL

50 Les cellules nanocristallines à colorants

51 ZnO nanoporeux préparé par électrolyse (IRDEP)

52 Rendement IRDEP avec ZnO : 4,5%

53 Les recherches menées à l IRDEP

54

55 Cellules CIGS par électrodépôt: Objectif coût de production CIGS after electrodeposition Industrial developments : Spin Off Nexcis IRDEP priority: High efficiency with Ga CIGS after rapid thermal annealing In complete cell

56 Nouveaux concepts photovoltaïques très hauts rendemenst La conversion de photons E r oxides, fluorides Rare earth doping (ex: NaYF 4 ) Y b * Y b * Y b E r Y b

57 Premiers résultats : collaboration IRDEP, LCMCP

58 Perspectives

59

60 Accelerated growth scenario for Europe (2009) : 12% of PV electricity in 2020 This sets the scene

61 Industrial sector objective (SET Plan): Establish photovoltaics (PV) as a clean, competitive and sustainable energy technology providing up to 12% of European electricity demand by 2020.

62 E r Y b * Y b * Y b E r Y b D. Lincot -ANR

63 IRDEP

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