Energie renouvelable : Les cellules photovoltaïques

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1 ENSTA Energie renouvelable Energie renouvelable : Les cellules photovoltaïques LAFLEUR Alexandre

2 Introduction...3 A. Description technique du fonctionnement d une cellule...4 I) Rayonnement solaire...4 II) Absorption de la lumière par la cellule...6 III) Jonction P-N...7 IV) Photogénérateur...10 B. Filières technologiques...13 I) La filière silicium...13 II) Filières chalcogénures Polycristallins...15 III) Filière organique...16 C. Application des modules photovoltaïques et étude économique...19 I) Différentes utilisations des cellules photovoltaïques :...19 II) Les différentes cellules à couches minces d un point de vue économique :...21 III) Les cellules photovoltaïques utilisées en autonome au Canada:...23 Conclusion...25 Annexe 1 : Simulation des besoins d un chalet en été et de l installation d un système autonome...26 Annexe 2 : Besoins en matériaux...28 Annexe 3 : Avantages, inconvénients et performances des filières les plus matures industriellement...30

3 Introduction Hormis les énergies nucléaire et géothermique, le soleil est à l origine de la quasi-totalité des sources d énergies utilisées par l humanité pour ses besoins alimentaires, domestiques et industriels : biomasse, vent, hydraulique, combustibles fossiles. Le Soleil fournit ainsi chaque jour à la Terre, par son rayonnement, l équivalent de plusieurs milliers de fois la consommation énergétique totale de l humanité pour ses activités d aujourd hui. À titre d exemple, pour donner un ordre de grandeur des énergies mises en jeu, une toiture de 100 m2 située dans le sud de la France (durée moyenne d ensoleillement 8 h/j), orientée perpendiculairement à l inclinaison moyenne des rayons, reçoit par jour un flux énergétique d une puissance de 70 kw, soit l équivalent d une énergie électrique de 560 kwh ou l équivalent d une énergie thermique d environ kcal, ce qui représente 50 L de fuel. Nous étudierons dans ce rapport, les cellules photovoltaïques qui permettent de convertir l énergie lumineuse en énergie électrique, à distinguer des technologies solaires thermiques qui exploitent le rayonnement solaire pour chauffer de l eau ou de l air à l aide de capteurs thermiques. Dans une première partie, nous décrirons les principes physiques qui régissent le fonctionnement des cellules photovoltaïques. Dans un second temps, nous parlerons des différentes filières technologiques aujourd hui à l étude, enfin nous discuterons des facteurs technico-économiques qui gouvernent l évolution de cette industrie.

4 A. Description technique du fonctionnement d une cellule Fig 1 : Cellule photovoltaïque en silicium cristallin La figure 1 représente une cellule photovoltaïque en silicium. On distingue deux couches de silicium, l une est dopée par des donneurs (dopage de type n) l autre par des accepteurs (dopage de type p). Cette jonction dite jonction p-n induit à l équilibre un champ électrique. Lorsque le semiconducteur reçoit de la lumière, une partie de l énergie lumineuse peut être absorbée par des électrons de la bande de valence qui seront excités vers la bande de conduction. Sous l action du champ électrique ces derniers vont migrer, on obtient alors un courant électrique. En reliant le dispositif à des électrodes, on a un générateur de courant. Dans un premier temps nous étudions la lumière du soleil qui arrive sur la cellule, puis le processus d absorption de l énergie lumineuse par le semi-conducteur et la jonction p-n. Nous décrirons ensuite la mise en oeuvre de ces principes dans les modules photovoltaïques. Enfin, nous détaillerons les particularités des cellules tandems. I) Rayonnement solaire Le Soleil est une «petite étoile» de km de rayon et de masse 1, kg. Sa température intérieure, supérieure à 10 millions de degrés, permet aux réactions nucléaires de fusion de transformer à chaque seconde environ 6 millions de tonnes de sa masse en énergie rayonnée dans l espace. En première approximation, le Soleil rayonne globalement comme un corps noir de température T S = K. Les satellites ont permis de mesurer avec précision le spectre réel solaire hors de l atmosphère terrestre, qui diffère légèrement du spectre théorique du corps noir à K dont la répartition spectrale du rayonnement électromagnétique est donnée par la loi de Planck : 5 B M λ = Aλ exp( 1) λt Où 10 2 A = 3,74.10 W. m. μm B = 14, m. K 1

5 Hors atmosphère, l énergie moyenne annuelle reçue par la Terre est d environ 5,5 kwh/m² et par jour. En traversant l atmosphère, le rayonnement solaire subit une atténuation et une modification de son spectre, à la suite de phénomènes complexes d absorption par les gaz, de diffusion par les molécules, et d absorption et de diffusion par les poussières et les aérosols. Ainsi la couche d ozone absorbe la majeure partie du rayonnement ultraviolet, tandis que la vapeur d eau absorbe le rayonnement infrarouge. Le flux énergétique reçu au sol dépend ainsi de nombreux facteurs et son maximum au sol ne dépasse guère W.m-2 avec un spectre décalé vers le rouge par rapport au spectre hors atmosphère (figure 2.c). Pour tenir compte de la position relative du Soleil qui modifie l épaisseur d atmosphère traversée, on introduit un coefficient m appelé masse atmosphérique ou nombre d air masse m proportionnel à la distance parcourue dans l atmosphère, qui sera fonction de la latitude. p 1 z m = exp( ) 1013 sin A 7,8. Différents spectres AMm (Air Mass = m) du rayonnement solaire après la traversée de l atmosphère sont reportés sur la figure 1, ces spectres sont obtenus pour z = 0 (niveau de la mer) 1 et p = 1013 = patm, et alors m. sin A Ainsi, outre l influence de l atmosphère, le flux solaire reçu au niveau de la terre dépend : - de l orientation et de l inclinaison de la surface ; - de la latitude du lieu et de son degré de pollution ; - de la période de l année ; - de l instant considéré dans la journée ; - de la nature des couches nuageuses. Figure 2 : Coefficient W Cr pour la France

6 Pour comparer les différents photogénérateurs, on considère les conditions standards de mesures qui sont : un spectre AM1.5, une puissance incidente de 1000W.m -2 et une température de 25 C, sauf indication contraire, c est pour de telles conditions que sont fournies les performances et spécifications d un dispositif photovoltaïque donné. On dispose généralement des relevés météorologiques au sol, notamment du flux global recueilli sur une surface horizontale, et de la durée journalière d insolation. À partir des données précédentes, en première approximation pour des calculs rapides d installations, on a divisé chaque continent en zones à potentiel solaire constant caractérisées par un coefficient W cr représentant la puissance crête du générateur photovoltaïque à installer pour obtenir 1 Wh par jour. Par exemple, ce coefficient est de 1 W cr à Paris et 0,53 W cr à Nice (figure 2). II) Absorption de la lumière par la cellule La cellule photovoltaïque convertit de l énergie lumineuse en énergie électrique. Pour cela, il faut dans un premier temps absorber les photons, et, pour qu un courant puisse s établir, il faut un champ électrique. La conversion de photons en électrons dans un matériau pouvant produire un courant électrique nécessite que : - les photons soient absorbés par le matériau (absorption optique) en transmettant leur énergie au matériau ; - l énergie transmise aux électrons soit une énergie potentielle et non une énergie thermique ; - les électrons excités par les photons soient collectés avant de reprendre leur énergie initiale (relaxation), afin de fournir un courant électrique. Pour l absorption, on utilise des matériaux semi-conducteurs dont les niveaux d énergie des électrons ont une structure de bandes qui présente un gap E g entre la bande de valence et la bande de conduction. Dans un semi-conducteur à l équilibre thermodynamique à 0 K, la bande de valence est complètement remplie et la bande de conduction est vide, le matériau est isolant. Néanmoins, si l on fourni assez d énergie à un électron pour qu il puisse passer de la bande valence à la bande de conduction, il pourra migrer sous l application d un champ électrique, le matériaux est conducteur. Le trou laissé par l électron dans la bande de valence est lui aussi un porteur de charge, et contribue aussi au courant. (figure 3) Figure 3 : Processus d absorption du photon

7 La probabilité d absorption d un photon par un électron de la bande de valence est maximale pour la transition d un niveau d énergie Ev (maximum de la bande de valence) vers un niveau d énergie Ec (minimum de la bande de conduction), il donc bon de choisir un semiconducteur pour lequel E = E E est proche de l énergie h ν des photons à absorber. g c v Nous pouvons, à partir de la probabilité de transition de l électron soumis au champ électromagnétique solaire et du spectre, déterminer une courbe de rendement théorique lié au taux d absorption, en fonction de la largeur de la bande interdite. Ce type de calculs a été effectué par Loferski dès Le rendement théorique maximal d une cellule photovoltaïque est de l ordre de 25%. Cependant, des recherches portent sur des cellules comportant plusieurs couches qui présentent des spectres d absorption plus larges. Par exemple, une première couche absorbe les photons d énergie faible (Si pour le rouge et infrarouge), puis une seconde couche absorbe les photons d énergie élevée (GaAs pour le bleu). Sur ce principe, des cellules à 3 couches ont permis des rendements supérieurs à 30 %, mais elles restent du domaine du laboratoire vu la complexité de réalisation. Certaines cellules photovoltaïques pourront être réalisées à partir de matériaux adaptés à un spectre donné (cellules pour l espace, pour la lumière solaire au sol, pour la lumière artificielle...). Parmi les autres facteurs de choix figurent la disponibilité du matériau à l état cristallin et la facilité de créer une jonction p-n dans ce matériau. III) Jonction P-N Le dopage d un semi-conducteur consiste en l insertion dans le cristal, d impureté ayant des caractéristiques électroniques particulières. Dopage de type N L impureté est un atome donneur d électron, la présence de cet atome sera caractérisée dans la structure en bandes d énergie par un niveau occupé d énergie légèrement inférieure à E c. L électron du donneur pourra très facilement passer dans la bande de conduction et constituera une charge libre. Le niveau de Fermi est alors proche de E c. Dopage de type P L impureté est un atome accepteur d électron, la présence de cet atome sera caractérisée dans la structure en bandes d énergie par un niveau vide d énergie légèrement supérieure à Ev. Le niveau vide de l accepteur pourra facilement capter un électron du haut de la bande valence. Le trou laissé par ce dernier dans la bande valence constitue un porteur libre. Le niveau de Fermi est alors proche de Ev. Le dopage est au coeur du dispositif qui permet de créer le champ électrique dans la cellule photovoltaïque : la jonction P-N.

8 Figure 4 : Niveau d énergie de la jonction avant la formation de la jonction Elle résulte de la juxtaposition dans un même matériau semi-conducteur de deux zones; l une de type P (majoritaire en trous, minoritaire en électrons) et l autre de type N (majoritaire en électrons, minoritaire en trous). Dès la juxtaposition, des courants de diffusion de trous et d électrons se développent autour de la jonction et créent, au voisinage immédiat de celle-ci, une barrière de potentiel qui s oppose aux courants de diffusion des porteurs majoritaires de chaque zone. En effet, la diffusion induit un déficit en électrons du côté N et un déficit en trous du côté P, on obtient alors une densité volumique de charge (schématisée figure 5) qui crée un potentiel vérifiant la loi de Poisson : ρ( x) Δ V ( x) =. ε 0ε r Lorsque l équilibre est atteint, le champ électrique correspondant à la barrière de potentiel est suffisant pour équilibrer les courants de diffusion des porteurs de charge, d où un courant global de diffusion nul. Les niveaux d énergie au voisinage de la jonction sont alors donnés par la figure 6. Figure 5 : Densité volumique de charge dans la jonction à l équilibre.

9 Figure 6: Profil des bandes conduction et de valence au niveau de la jonction On peut étudier le comportement de cette jonction lorsqu on impose une tension à ces bornes. En polarisation directe, la barrière de potentiel est abaissée et un courant de porteurs majoritaires important peut se développer. En polarisation inverse, le courant de porteurs minoritaires est très faible et varie très peu avec la tension appliquée tant que cette tension est inférieure à la tension de claquage (diode Zener). La loi de Shockley donne la caractéristique courant-tension de la jonction (figure 7). ev I d = I S (exp( ) 1) k T B Figure 7: Caractéristique courant-tension de la jonction Une cellule photovoltaïque est composée d une jonction P-N éclairée par un flux de lumineux. Nous étudions dans la suite le comportement électrique de ce dispositif.

10 IV) Photogénérateur Figure 8: Caractéristique de la jonction sous éclairement Si on soumet la jonction à un flux lumineux, des paires électron-trou sont crées par les photons dont l énergie est supérieure à Eg. Les électrons de la bande de conduction soumis au champ électrique généré par la jonction, migrent de la zone dopé p vers la zone dopée n, ce qui nous donne un courant négatif. La caractéristique courant-tension d une jonction éclairée par un flux lumineux est donnée figure 8. Nous voyons que sur une certaine plage (basse tension zone IV) de tension, la jonction éclairée se comporte comme un générateur de courant dont l intensité est proportionnelle à celle du flux lumineux incident. On en déduit l expression du courant qui traverse la jonction : I p = I cc I S ev (exp( ) 1) k T B On représente alors la cellule idéale par le schéma équivalent (figure 9), qui fait intervenir un générateur de courant Icc proportionnel au flux lumineux sur la cellule et une diode qui caractérise le comportement lorsque la cellule est polarisée : Figure 9: Schéma équivalent

11 Le schéma équivalent de la cellule photovoltaïque réelle tient compte d effets résistifs parasites dus à la fabrication et représentés sur le schéma équivalent par deux résistances : - une résistance série R S représentant les diverses résistances de contacts et de connexions ; - une résistance R sh (shunt) en parallèle sur le générateur de courant qui caractérise les divers courants de fuite dus à la diode et aux effets de bords de la jonction. L équation caractéristique de la cellule réelle est alors donnée par : V I p = I cc I d Rsh La caractéristique réelle et le schéma équivalent de la cellule sont représentés sur la figure 10. Les valeurs respectives des divers éléments du schéma équivalent déterminent les performances de la cellule réelle. Fig 10: Caractéristique et schéma d une cellule réelle Pour obtenir des tensions plus importantes (une cellule a une tension d environ 0,6V), on monte ces cellules en séries sur des panneaux solaires. Les cellules sont ensuite conditionnées en fonction de leur utilisation. Par exemple, pour les panneaux en silicium cristallin, on place les photopiles élémentaires entre deux support (généralement en verre) après les avoir reliées entre en série par des fils conducteurs extra-plats, ensuite, on utilise une résine d assemblage pour joindre les deux supports. (Opération dite d encapsulation). Le rendement de la cellule dépend du matériau utilisé et des pertes. Le choix du matériau résulte d un compromis entre la tension de sortie de la cellule liée à la largeur de la bande interdite (tension de sortie Eg/e) et le nombre et l énergie des photons du rayonnement solaire. On obtient un bon rendement pour des gaps entre 1 et 1,5 ev. Le silicium avec 1,1 ev reste le matériau le plus utilisé (80% de parts de marché). Le rendement des cellules industrielles au silicium reste encore faible (inférieur à 15 %), mais de grands espoirs sont permis grâce à l obtention en laboratoire de rendements supérieurs à 25% avec des matériaux (AsGa) et des technologies différentes (multicouches).

12 Le coût de fabrication des matériaux monocristallins à très faible nombre de défauts est actuellement le facteur qui freine l utilisation de l énergie solaire. Les matériaux amorphes dont les procédés de fabrication sont moins coûteux (dépôts en couches minces par évaporation sous vide) sont très prometteurs. Le silicium amorphe dont l effet photovoltaïque a été mis en évidence dès 1976 est, de nos jours, largement employé, malgré un rendement plus faible que le silicium monocristallin. Dans la partie suivante, nous allons étudier les différentes voies qu a ouvert la recherche pour le développement de ces dispositifs incontournables dans l avenir.

13 B. Filières technologiques L industrie des photogénérateurs est largement dominée par les composés en silicium dont l exploitation a été favorisée par l essor de la microélectronique. Jusqu à la fin des années 1980, les forces de changement venaient de réactions négatives aux deux chocs pétroliers. Depuis une quinzaine d années, le changement est poussé par la nécessité positive de stabilisation du climat de la planète et depuis peu, il est tiré par les opportunités alléchantes d investissements dans des systèmes de production d énergie plus performants, plus propres et plus efficaces. Nous présentons dans cette partie les technologies majeures du photovoltaïque. Le silicium cristallin domine largement le marché (80% de parts de marché). Plusieurs recherches portent sur des matériaux susceptibles de baisser le prix de l énergie photovoltaïque. On distingue trois grandes familles que nous présenterons dans ce chapitre : i) la filière silicium ii) les chalcogénures polycristallins iii) les cellules photovoltaïques organiques I) La filière silicium Depuis la découverte des propriétés photovoltaïques du silicium amorphe hydrogéné (a- Si:H) à l université de Dundee, en 1975, les scientifiques et les industriels du monde entier ont déployé une intense activité dans le domaine des films minces. Cet engouement subi était dû principalement au fait que ces films ont un coefficient d absorption de la lumière solaire de plusieurs ordres de grandeur supérieur à celui du silicium cristallin et qu ils sont souvent produits directement à partir de la phase gazeuse. Ainsi, un module photovoltaïque en films minces peut-il être réalisé en une couche 400 fois plus mince qu une cellule photovoltaïque cristalline et avec une surface 40 fois plus grande. Il semble naturel d en conclure que les coûts devraient être beaucoup plus faibles, la disponibilité des matériaux de base plus grande et le procédé de fabrication des modules plus simple. D ailleurs, la démarche naturelle d un chercheur, qui aujourd hui reprendrait le travail à zéro pour développer une cellule photovoltaïque, consisterait certainement à partir d une surface ou de films minces plutôt que d un cristal fondu transformé en lingot et découpé en plaquettes au prix de trois mises en forme. Concernant l industrie photovoltaïque, comment le silicium cristallin peut-il avoir autant de succès? Sa largeur de bande interdite (son «gap») est en effet, légèrement trop faible pour le spectre solaire, et le caractère indirect des transitions en raison de la structure atomique du silicium cristallin donnent un faible coefficient d absorption nécessitant par conséquent une forte épaisseur (300 m) de matériau pour absorber tout le spectre solaire. Parce que, depuis le développement du transistor en 1957, le silicium cristallin est le semiconducteur le mieux connu dans tous ses aspects, tant dans ses caractéristiques atomiques intimes que dans son usinage pour la production à grande échelle. Aussi peut-être, parce qu au temps de la conquête spatiale américaine à la fin des années 1960, on ne savait pas faire les cellules solaires autrement qu avec les techniques élaborées par l industrie des semiconducteurs. Parce qu enfin la communauté des chercheurs dans ce domaine, se chiffre en dizaine de milliers... alors que dans le domaine des films minces, ils ne sont que quelques centaines d individus.

14 Les cinq raisons du succès actuel de la technologie du silicium cristallin massif sont les suivantes : - matériau semi-conducteur le mieux connu et savoir-faire bien répandu ; - rendements photovoltaïques satisfaisants (modules de 13,5 %) ; - sécurité dans les procédés de fabrication des cellules et modules ; - rapport coût/rendement adéquat pour les segments de marché des sites ; - durabilité élevée de la structure cristalline (garanties généralisées à 25 ans par la plupart des constructeurs). Les deux raisons pour lesquelles des limitations sont à prévoir sur le moyen terme sont : - indisponibilité de la matière de base en volume important à une pureté et un coût raisonnable. Aucun procédé simplifié n est parvenu à rivaliser avec le procédé Siemens, standard de fabrication du silicium électronique. Le photovoltaïque, dont les exigences techniques sont inférieures, utilise les déchets des usines électroniques : un gisement limité, faisant peser la crainte permanente d une hausse des coûts (le prix de la charge de silicium solaire est passé de 6 /kg en 1996 à 26 /kg à la fin 1997) et même d une pénurie, compte tenu du redémarrage de l industrie des semi-conducteurs en le format réduit de chaque élément (surface unitaire inférieure à 200 cm2) et la capacité actuelle des équipements de production limiteront la réduction des coûts à un niveau asymptotique autour de 1,5 /Wc. Un spectre très étendu de composés semi-conducteurs présente les caractères requis pour la conversion photovoltaïque. Le silicium amorphe présente de faibles coûts de productions pour un rendement correct. Néanmoins, il est sensible à un effet parasite qui dégrade la cellule lorsqu elle est exposée à un fort éclairement (effet Staebler-Wironski). Le dopage au bore, au phosphore ou à l arsenic permet de limiter cet effet. La diminution de l épaisseur limite aussi la dégradation. Le tableau 3 présente les rendements de différents modules soumis à des puissances lumineuses de 1kW/m² (lumière extérieure) et 100W/m² (lumière en intérieur).

15 II) Filières chalcogénures Polycristallins Dans la filière polycristalline, deux options se détachent nettement depuis quelques années par leurs performances et leur simplicité de mise en oeuvre : la filière CdTe et la filière CuInSe2 (et sa variante Cu(In,Ga)Se2 encore dénommée CIGS), toutes deux le plus souvent associées à une couche fenêtre au CdS. CdS/CdTe Jusqu à une date récente, il était admis que la filière au CdS/CdTe représentait l approche la plus prometteuse pour les cellules de nouvelle génération. CdTe paraissait être un matériaux idéal pour les cellules solaires en films minces pour au moins trois raisons : - le gap d énergie est de type direct : ainsi le coefficient d absorption est élevé (> 105 cm-1 dans le visible) et la couche absorbante ne nécessite pas plus de quelques micromètres pour absorber 90 % du spectre solaire, autorisant par conséquent l utilisation de matériaux relativement impurs dont la longueur de diffusion des porteurs minoritaires ne dépasse pas quelques micromètres ; - la valeur du gap Eg = 1,45 ev est idéale pour la conversion photovoltaïque du spectre solaire ; - de nombreuses méthodes existent pour déposer CdTe avec une vitesse de dépôt très élevée tout en gardant une qualité raisonnable. On obtient des rendements compris entre 10% et 16%. Entre 1999 et 2001, BP Solar (Etats-Unis), a pratiqué une production en série de cellules utilisant CdTe. Le rendement des cellules était de 14%, celui des modules, 8%. Les problèmes d environnement associés à l utilisation du cadmium limitent les tentatives de développement de cette filière, d autant plus que le coût pour l environnement est un paramètre important du marché du photovoltaïque. L élément Cd présente une toxicité certaine quand on s y trouve exposé de façon chronique (dans le long terme, il peut provoquer des dysfonctionnements rénaux ou des cancers du poumon) ; les composés du Cd tels que CdO, CdCl2, CdSO4, sont très solubles dans l organisme humain. Ils sont donc dangereux, surtout au cours du processus de fabrication. Les fumées de CdO en particulier peuvent être très nocives. Plusieurs recommandations issues de la Commission européenne ont limité la production et l utilisation du Cd dans l industrie. Cu(In,Ga)Se2 Le diséléniure de cuivre et d indium (CIS) est un matériau composé de type I-III-VI, de structure chalcopyrite de plus en plus prometteur pour la production de masse de modules en films minces. L atout de ce composé est qu il est utilisable dans plusieurs procédés de production industrielle (coévaporation, dépôt électrolytique, sérigraphie ). Les rendements obtenus figure sur le tableau 2.

16 III) Filière organique Depuis l'apparition des matériaux organiques semi-conducteurs, de nouveaux domaines d'application se sont développés comme ceux des Diodes Electroluminescentes Organiques (OLED) et des Transistors à Effet de champ (FET). Il est donc naturel que nous ayons voulu les utiliser pour faire des cellules photovoltaïques. Dans un semi-conducteur inorganique de la colonne IV (du silicium, par exemple), on introduit une impureté de la V colonne (qui possède 5 électrons périphériques, du phosphore par exemple), le cinquième électron se retrouve avec une énergie de liaison très faible (5 à25 mev). Il est localisé sur l'atome pentavalent uniquement aux très basses températures. À la température ambiante, le dopant donne (donneur) un électron (la charge négative n) qui est récupéré par le réseau cristallin (accepteur). Un tel semi-conducteur, dopé avec un donneur, qui contient des électrons dans la bande de conduction, est dit de type n. De manière symétrique, un dopant de la colonne III (bore) ne possède que 3 électrons périphériques. Dans les conditions normales, un électron de valence voisin est aisément transféré (accepté) sur cet atome trivalent. Un trou est ainsi généré dans la bande de valence (charge positive p). Le semi-conducteur dopé avec un accepteur est dit de type p. Les semi-conducteurs organiques ne sont que rarement dopés. La nature de donneur ou accepteur n'est donc plus déterminée par rapport à un dopant. Elle doit être définie par rapport à l'échelle d'électronégativité du matériau considéré. Plus celui-ci est électronégatif, plus son caractère accepteur est affirmé car il a plus de pouvoir à attirer les électrons. Enfin chacun de ces matériaux organiques est soit plus favorable au transport des électrons, soit plus favorable à celui des trous. Cette propriété est indépendante du type du semi-conducteur. Elle est déterminée par le recouvrement des orbitales entre les molécules. Lors du choix des matériaux pour fabriquer une cellule, une règle doit être observée : un donneur doit être

17 transporteur de trous et peut éventuellement être dopé par des impuretés de type p. Inversement, un accepteur doit être transporteur d'électrons et peut contenir des impuretés de type n. À 0 K, les électrons des couches périphériques occupent l'orbitale Moléculaire Occupée la plus Haute dont l'énergie est désignée par l'acronyme HOMO sur la. À température ambiante, l'énergie thermique des électrons modifie leur probabilité de présence et une partie d'entre eux occupent l'orbitale Moléculaire inoccupée la plus basse : LUMO. La statistique de Fermi donne la probabilité d'occupation d'un état d'énergie donnée. Elle fait intervenir une énergie particulière EF pour laquelle la probabilité de présence est de 0,5. Le niveau énergétique correspondant, situé entre les niveaux HOMO et LUMO, est appelé Niveau de Fermi. L'écart entre le LUMO et le HOMO correspond à l'énergie minimale E=hc/l que doivent posséder les photons pour qu'ils puissent effectuer le saut énergétique entre les deux niveaux. La mesure du coefficient d'absorption a permet de déterminer le gap optique Eg des matériaux. Les conditions de dissociation peuvent être exprimées à partir du diagramme énergétique des matériaux mis en oeuvre dans les cellules photovoltaïques. La figure représente la jonction de type donneur accepteur. La lumière est absorbée par les deux matériaux et des excitons sont créés des deux côtés de la jonction. Ceux qui apparaissent du côté donneur ont une énergie E ex qui est inférieure à la différence entre l'énergie du LUMO et celle du HOMO d'une valeur égale à l'énergie de liaison E Lex : Après dissociation, l'électron passe dans l'accepteur tandis que le trou reste dans le donneur. L'énergie de l'ensemble [électron + trou] dissocié est égale à la différence entre les niveaux énergétiques de chaque charge, c'est-à-dire I pd c A. Pour que la dissociation puisse se produire, elle ne doit pas consommer d'énergie, donc E ex doit être supérieur à I pd c A. Un raisonnement analogue montre que la même condition prévaut pour les excitons générés du côté accepteur de la jonction. Pour obtenir une dissociation des excitons efficace, il est donc indispensable de contrôler les niveaux énergétiques des matériaux. Pour une famille de composés donnée, l'ingénierie de la chimie organique permet, dans certaines limites, de choisir ces valeurs par modification de la structure moléculaire.

18 Pour améliorer le rendement de conversion des cellules photovoltaïques organiques, chaque étape du fonctionnement doit être optimisée. Les trois principaux obstacles rencontrés dans les cellules qui utilisent des matériaux solides sont liés : (1) à des coefficients d'absorption faibles et à un spectre d'absorption qui ne couvre qu'une bande plus ou moins large en longueur d'onde ; (2) aux faibles valeurs des mobilités des porteurs ; sauf exception, elles se situent entre 10 3 et 10 6 cm2 V 1 s 1 selon les matériaux étudiés ; (3) aux problèmes de stabilité de ces matériaux et donc de vieillissement rapide des composants. Des efforts de recherche importants sont actuellement menés sur chacun des aspects des cellules photovoltaïques organiques : chimie, physique, etc. La compréhension du fonctionnement de ces composants est cependant loin d'atteindre celle des cellules en silicium. Ces dix dernières années, l'immense progression de leurs performances permet d'espérer une commercialisation prochaine de ces cellules : Siemens a annoncé le 7 janvier 2004 avoir augmenté le rendement de ces cellules solaires à bases d'hétérojonction en volume au-delà de 5 % pour une durée de vie de 10 ans.

19 C. Application des modules photovoltaïques et étude économique I) Différentes utilisations des cellules photovoltaïques : Nous venons de présenter le fonctionnement technique des cellules photovoltaïques ainsi que les différents types de cellules qui existent actuellement. Parlons maintenant de ses différentes utilisations. D un point de vue technique, les systèmes photovoltaïques ne contiennent aucune pièce mobile. Ils sont fiables, requièrent peu d'entretien, sont silencieux et ne produisent aucune émission de polluants. Ce sont des systèmes modulaires : les éléments de base (modules de cellules solaires) sont vendus dans un vaste éventail de capacités d'alimentation électrique qui vont d'une fraction de watt (par exemple les montres et les calculettes à pile solaire) à plus de 300 watts. L'interconnexion des modules permet d'obtenir la puissance qu'exige l application recherchée. Cette modularité et cette fiabilité sont les avantages les plus importants, d un point de vue purement pratique, des cellules photovoltaïques. Cependant, il est essentiel de réaliser les limites de ces systèmes. Pendant longtemps, le handicap des cellules solaires résidait dans le fait que la quantité d'énergie nécessaire à leur fabrication dépassait celle qui pouvait être générée pendant toute leur durée de vie (garantie de 15 ans). En partant d'un kilogramme de silice, on obtient 100 g de silicium monocristallin pour une dépense énergétique de l'ordre du MWh. De plus, la moitié de ce cristal est perdue au cours de la découpe en tranches de 300 µm d'épaisseur. Aujourd'hui, le temps de «retour sur investissement énergétique» a été réduit. Dépendant de l'ensoleillement, il est de 3 à 7 ans pour les modules en silicium cristallin, il est inférieur à 2 ans pour les films minces installés dans les pays du pourtour méditerranéen. Une autre critique souvent formulée par les détracteurs du photovoltaïque concerne l'utilisation de produits hautement toxiques (bains d'acide chlorhydrique, de soude, solvants, composés fluorés, silanes...) pendant la fabrication des cellules. Enfin le prix de revient des modules photovoltaïques reste aujourd'hui élevé, ce qui entraîne un coût du kwh de l'ordre de 0,25 à 0,5 e soit environ 10 fois le coût du kwh nucléaire. De même l énergie photovoltaïque est fortement limitée par sa période d utilisation. Ainsi, elle ne produit pas d énergie la nuit et son utilisation en hiver diffère de son utilisation l été. En effet, l'orientation des modules photovoltaïques est généralement fixe pour des raisons de coût et de robustesse. Dans l'hémisphère nord, une orientation au sud est souhaitable avec une inclinaison par rapport à l'horizontale adaptée au besoin. Une inclinaison minimale maximise la production d'été, tandis qu'une inclinaison importante maximise celle d'hiver. Elle peut être choisie pour maximiser la production annuelle, ce qui est intéressant lorsque le système est couplé au réseau avec une tarification unique de rachat. A partir de ces informations, nous pouvons facilement définir trois genres de systèmes photovoltaïques suivant leur utilisation. Ceux sont les systèmes autonomes, hybrides et connectés à un réseau. Les deux premiers sont indépendants du service public de distribution d'électricité; on les retrouve surtout dans les régions éloignées et s explique par la fiabilité et la faible demande d entretien du système.

20 Les systèmes autonomes dépendent uniquement de l'énergie solaire pour répondre à la demande d'électricité. Ils peuvent ainsi comporter des accumulateurs qui emmagasinent l'énergie produite par les modules au cours de la journée servant la nuit ou lors des périodes où le rayonnement solaire est insuffisant. Ces systèmes peuvent également répondre aux besoins d'une application (par exemple, le pompage de l'eau) sans recours aux accumulateurs. En règle générale, les systèmes photovoltaïques autonomes sont installés là où ils constituent la source d'énergie électrique la plus économique. Cependant, cette part de marché est également utilisée par les systèmes hybrides. Ceci s explique par des raisons environnementales ou parce que vous avez besoin d'un système fiable ou qui fonctionne sans être relié à un réseau. Les systèmes hybrides, qui sont également indépendants des réseaux de distribution d'électricité, sont composés d'un générateur photovoltaïque combiné à une éolienne ou à un groupe électrogène à combustible, ou aux deux à la fois. Un tel système s'avère un bon choix pour les applications qui nécessitent une alimentation continue d'une puissance assez élevée, lorsqu'il n'y a pas assez de lumière solaire à certains moments de l'année, ou si vous désirez diminuer votre investissement dans les champs de modules photovoltaïques et les batteries d'accumulateurs. Enfin, les systèmes de production d'énergie photovoltaïque connectés à un réseau sont une résultante de la tendance à la décentralisation du réseau électrique. L'énergie est produite plus près des lieux de consommation et non pas seulement par de grandes centrales thermiques ou hydroélectriques. Au fil du temps, les systèmes connectés à un réseau réduiront la nécessité d'augmenter la capacité des lignes de transmission et de distribution. Un système connecté à un réseau produit sa propre électricité et achemine son excédent d'énergie vers le réseau, auprès duquel il s'approvisionne au besoin; ces transferts éliminent le besoin d'acheter et d'entretenir une batterie d'accumulateurs. Il est toujours possible d'utiliser ceux-ci pour servir d'alimentation d'appoint lorsque survient une panne de réseau, mais ce n'est pas nécessaire. L utilisation la plus intéressante, à notre avis, de ces cellules se fait en autonome. En effet, si votre habitation est située à bonne distance d'un réseau électrique, il peut être moins coûteux de produire votre propre électricité plutôt que de payer pour l'installation de lignes de transmission visant à raccorder votre système au réseau. Les groupes électrogènes au diesel, à l'essence ou au propane constituent les options de rechange courantes, mais bien des gens les trouvent bruyants, polluants et coûteux à entretenir et à faire fonctionner. Nous développerons donc ces utilisations ultérieurement. Malgré ces différentes limites nous pouvons comprendre facilement que le marché du photovoltaïque est un marché en plein développement. Ainsi, la vente des modules photovoltaïques augmente en moyenne de 35 % par an depuis On estime la vente mondiale de modules en 2004 à environ 990 MWc, soit 3,2 milliards de dollars de chiffre d affaire avec un prix moyen de vente à 3,1 $/Wc. Aujourd'hui, les modules PV sont vendus en grandes quantités (> 100 kw) à environ 2,5-3 EUR/Wc. Le phénomène nouveau, c'est que les deux tiers de ces ventes se font au Japon et en Allemagne dans des systèmes domestiques connectés au réseau. Ceci s explique principalement par une volonté du gouvernement de développer l utilisation globale des énergies renouvelables et principalement le photovoltaïque. Nous comprenons facilement que ce marché n a pas encore fini son expansion. Son utilisation n est encore développée en Afrique par exemple alors qu il existe un réel marché là-bas.

21 II) Les différentes cellules à couches minces d un point de vue économique : Comme nous l avons vu, les cellules à couches minces proposent de sérieux avantage sur les cellules à silicium monocristallin, bien que celui-ci représente 80% des ventes de cellules photovoltaïques. Voyons quels sont ses avantages. Tout d abord, nous savons que sa bande interdite plus faible permet une meilleure absorption de l énergie lumineuse. Ainsi, cela permet d avoir des modules de faibles puissances aussi bien utilisables en intérieur ou en extérieur. Pour le grand public, on y trouve des objets aussi divers que les calculettes de poche, les montres, les sonnettes de portes, les lampes de poche, les détecteurs de présence, les lampes de jardin, les toits ouvrants d'automobiles, les modules souples pour le camping et la navigation de plaisance. Pour les professionnels, il y a les clôtures électriques, l'instrumentation scientifique, les parcmètres urbains, les téléphones d'urgence autoroutiers, les casques à soudure, les paratonnerres par exemple. Pour ce genre d outils, les critères de performances n ont rien à voir avec la rentabilité, il s agit principalement de la flexibilité de l'outil de production, des considérations esthétiques, de la capacité d'intégration ou du prix par unité de surface. Ces critères font que les photopiles en films minces sont beaucoup mieux adaptées à ces marchés que les photopiles traditionnelles. Ainsi, pour les modules de puissance inférieur à 1 Wc utilisé en intérieur, le volume des ventes mondiales en 2003 était de l'ordre de m2 et le chiffre d'affaire de 107 MEUR, en croissance de 7 % par an. Par ailleurs, le volume des ventes mondial des modules de puissance inférieur à 50 Wc utilisé en extérieur était en 2003 de l'ordre de m2 et le chiffre d'affaire de 170 MEUR, en croissance de 14 % par an. Un travaille est effectué sur ces cellules pour les rendre plus autonomes et plus flexible. Si les petits systèmes grand public ont été le principal débouché du silicium amorphe pendant de nombreuses années, des produits souples de grandes dimensions et des applications pour les bâtiments sont visées depuis la fin des années Ainsi des éléments de façade de plusieurs mètres carrés, des panneaux semi-transparents, des tuiles, des bardeaux et autres éléments de toitures incorporant des cellules amorphes ont été développés en coopération avec les verriers et les professionnels du bâtiment. Depuis quelques années, les produits phares pour les applications des systèmes photovoltaïques en Europe sont basés sur les éléments de construction des bâtiments. Les modules classiques montés sur des supports métalliques disparaîtront peu à peu du champ des applications bâtiment et seront remplacés par des modules intégrés aux allèges, en pare-soleil ou en toiture.

22 Le produit sur lequel l'industrie a déjà établi sa réputation est la façade. C'est dans les régions septentrionales de l'europe que ce produit a le plus de succès (Allemagne, Danemark, Pays- Bas). Il est encore très lié aux programmes de démonstration et se vend plus sur la base de considérations de prestige que sur la capacité du système à produire du courant électrique de façon économique. On peut aussi incorporer la fonction d'ombrage directement dans les vitres du bâtiment. Pour cela, on se sert de vitrages semi-transparents qui peuvent incorporer des cellules photovoltaïques. De cette façon, l'énergie solaire qui ne rentre pas dans la salle n'est pas perdue mais sert encore à produire de l'électricité. Si l'on souhaite obtenir un véritable effet de semi-transparence (plus fin que celui obtenu avec l'espacement des cellules au silicium cristallin), et voir une véritable image, il est nécessaire de pratiquer des ouvertures sous forme de lignes ou de petits trous dont la distance interligne (ou intertrou) est inférieure au diamètre de la pupille. Ainsi, un observateur situé à l'intérieur (côté de faible éclairement) même s'il se trouve proche des vitres peut réellement voir les images au travers. Enfin, il existe d autres systèmes tel que la toiture, les pares soleil ou la véranda qui ne sont pas encore mature d un point de vue technico-économique. Indépendamment des aspects commerciaux, de circuits de distribution et de marges de distributeurs, qui gouvernent à l'heure actuelle le prix de vente final au consommateur, vu sous l'angle du producteur industriel, pour améliorer les coûts des modules il est nécessaire de progresser sur trois fronts : La performance des modules (rendement ou Wc/m 2 ) ; Le coût de fabrication (EUR/m 2 ) ; Le volume de production (économie d'échelle). Bien que la filière silicium amorphe soit en recul actuellement, on ne peut pas passer par pertes et profits les choix faits pour cette filière par des sociétés aussi prestigieuses que ECD, Canon, Fuji, Sanyo, Kaneka ou Solarex. Nous pensons cependant que le a-si:h seul, même en jonction tandem a un avenir limité à cause de son rendement photovoltaïque insuffisant. Associé à du silicium cristallin comme le fait Sanyo (procédé HIT), il donne d'excellents résultats (les modules commerciaux HIP 190 BE de 190 W à 16,1 % sont en effet champions toutes catégories) (voir annexe 3). Le silicium microcristallin n'a pas encore fait ses preuves au niveau d'un produit industriel, les vitesses de dépôt étant trop lentes. La filière CdTe a un formidable potentiel industriel grâce aux vitesses de dépôt très élevées, à la configuration en verre superstrat, et au coût de production le plus faible pour des rendements photovoltaïques corrects. Malheureusement le matériau CdTe ne passera probablement pas la barrière environnementale dans certains pays. Les cellules Grätzel ne sont pas fiables et encore trop loin de la maturité pour les envisager à court terme. Aussi, la filière la plus pertinente reste à notre avis la technologie CIGS qui combine le meilleur compromis de haut rendement, de bonne stabilité et de faible coût potentiel sans offenser l'environnement.

23 III) Les cellules photovoltaïques utilisées en autonome au Canada: L utilisation des cellules photovoltaïques en fonctionnement autonome s explique très facilement. Si vous avez besoin d'une source d'électricité fiable dans un endroit où vous n'avez pas accès à un réseau électrique, l'énergie photovoltaïque peut s'avérer la solution la plus appropriée et la plus rentable. Ainsi, l'énergie photovoltaïque peut servir : À alimenter des lampes, des radios, des téléviseurs, des pompes et plusieurs autres appareils d'usage courant au chalet et à la maison; À alimenter des clôtures électriques, des pompes à eau et d'autres dispositifs employés en agriculture; À faire fonctionner les systèmes de pompage et de circulation de l'eau des installations d'aquaculture et de pêche sportive; À assurer une source d'électricité fiable aux gîtes et aux camps de chasse et de pêche; À charger une batterie ou à en maintenir la charge lors d'activités de loisirs faisant appel à des véhicules de plaisance ou des voiliers, par exemple; À alimenter des appareils portatifs tels que des ordinateurs; À alimenter des appareils d'éclairage extérieur; À assurer une source d'électricité fiable pour de nombreuses applications commerciales; À réduire les factures mensuelles du service de distribution d'électricité. L'emploi de la technologie photovoltaïque se répand rapidement à la fois dans les pays industrialisés et en développement. Bien que l'industrie photovoltaïque canadienne ait connu un essor considérable au cours de la dernière décennie, l'emploi de cette source d'énergie demeure relativement limitée, partiellement en raison des tarifs peu élevés des services publics, mais aussi en raison de mythes solidement ancrés dans l'esprit des gens, parmi lesquels : -«Il n'y a pas assez de lumière solaire au Canada.» -«La technologie solaire électrique n'est pas efficace dans les climats froids.» -«La technologie photovoltaïque n'a pas fait ses preuves.» -«Les systèmes photovoltaïques sont trop dispendieux.» Des milliers de systèmes photovoltaïques d'un bout à l'autre du Canada (et des millions de systèmes installés partout dans le monde), destinés à une multitude d'applications, ont fait la preuve que ces mythes étaient faux. Il est vrai que les conditions au Canada représentent un défi particulier quant à l'emploi de l'énergie photovoltaïque, mais un système adéquatement conçu peut s'avérer une source d'énergie fiable dans la plupart des régions éloignées. Nous montrerons maintenant les possibilités d une telle technologie. De plus en plus de Canadiens et de Canadiennes ont recours aux systèmes photovoltaïques pour faire fonctionner les lampes et appareils électroménagers des chalets ou des résidences qui ne sont pas connectés à un réseau public. Ceci s explique par le fait qu'ils sont silencieux, sûrs, polyvalents et fiables et qu'ils ne requièrent que peu d'entretien et ne causent pas de pollution. En règle générale, ces systèmes constituent une option rentable pour les chalets et résidences situés à

24 plusieurs centaines de mètres d'un réseau de distribution; par contre, ce n'est pas encore le cas dans les endroits où l'on a facilement accès au réseau. Pour les propriétaires d'un camp de pêche, un système hybride bien conçu pourrait présenter des avantages financiers, qu'il combine l'énergie photovoltaïque à un groupe électrogène au diesel, à une éolienne ou aux deux. Le coût de fonctionnement élevé de la production d'électricité par génératrice dans les endroits éloignés peut inciter les propriétaires à chercher des solutions de rechange, notamment les technologies d'énergie renouvelable. Dans bien des cas, un système hybride Photovoltaïque-Diesel s'avère intéressant puisqu'il est rentable, simple et fiable. Depuis quelques années déjà, nombre de produits, comme des montres, des calculatrices et des jouets, sont alimentés à peu de frais par des piles photovoltaïques fiables et pratiques. Équipés de minuscules cellules qui produisent de l'électricité même lorsque l'éclairage est mauvais, ces produits de consommation fonctionnent sans piles coûteuses qui doivent souvent être changées. De nos jours, il existe aussi dans le commerce des blocs d'alimentation photovoltaïque qui servent à faire fonctionner des appareils plus gros. D'une capacité d'une fraction de watt à bien plus de 100 watts, ces blocs peuvent être connectés en série ou en parallèle pour répondre à divers besoins. Ils peuvent servir de source d'alimentation directe ou recharger des accumulateurs. Ces systèmes pratiques sont employés au Canada pour alimenter toutes sortes d'appareils, des radios, magnétophones à cassettes et caméras aux articles de décoration de parterre, lampadaires et batteries de voilier ou de planeur. La propreté et le fonctionnement silencieux des systèmes PV sont considérés comme un atout majeur pour bien des activités de loisir. Les systèmes photovoltaïques conviennent également particulièrement bien en agriculture, lorsqu'on a besoin d'une puissance limitée, dans un endroit isolé, pour électriser une clôture, pour alimenter une pompe à eau servant à l'irrigation ou à l'abreuvement du bétail ou pour assurer l'aération d'un étang, etc. Les clôtures électriques à alimentation photovoltaïque sont de plus en plus populaires dans les provinces de l'ouest, particulièrement dans les pâturages du nord. Plusieurs éleveurs du nord de l'alberta et de la Colombie-Britannique ont installé des modules photovoltaïques pour recharger les batteries de clôtures électriques ordinaires. Ces batteries ne s'épuisent jamais. Non seulement la technologie photovoltaïque élimine-t-elle les frais et les inconvénients d'une vérification régulière des batteries, mais elle permet aussi d'installer une clôture moins coûteuse que celle à fil barbelé, autre solution de remplacement à la clôture électrique classique. De plus en plus, les agriculteurs et les éleveurs canadiens constatent que les systèmes photovoltaïques, qui peuvent fonctionner tout l'été sans entretien, leur offrent un moyen pratique de clôturer les pâturages éloignés. Le pompage de l'eau est l'un des usages les plus intéressants de l'énergie photovoltaïque. En agriculture, la demande d'eau atteint son maximum par temps chaud et sec, c'est-à-dire précisément au moment où l'on a accès au maximum d'énergie solaire. Un système simple sans accumulateurs est tout indiqué pour l'irrigation des cultures qui peuvent survivre sans eau lorsqu'il ne fait pas soleil. Par ailleurs, quand les besoins en irrigation sont indépendants des conditions météorologiques, il peut s'avérer plus économique de stocker l'énergie sous forme d'eau pompée plutôt que dans de coûteux accumulateurs. À l'heure actuelle, il y a, au Canada, plusieurs millions d'hectares de pâturage isolé inexploités parce que le coût du pompage de l'eau, selon les méthodes usuelles, dépasse les revenus potentiels. Pour bien des agriculteurs et des éleveurs canadiens, les systèmes de pompage à alimentation photovoltaïque offrent une solution rentable.