Energie solaire Photovoltaïque

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1 Energie solaire Photovoltaïque Situation actuelle de la technologie et de la R&D 3/04/07 Bernard Equer Photovoltaïque CNISF 1

2 Sommaire Principe, rendement Production, Prix et évolution La filière dominante du Silicium cristallin Les challengers : les couches minces Nouvelles voies : hauts rendements et organiques Conclusions

3 La conversion photovoltaïque Un matériau convertit les photons les photons sont absorbés et les électrons de valence passent dans un état excité Si le matériau est semiconducteur, les électrons excités sont mobiles (sinon désexcitation et génération de chaleur) Une jonction entre le matériau absorbant et des électrodes sépare les charges électriques jonction p-n, Shottky, donneur-accepteur,... première diode en silicium efficace en 1954 De très nombreux matériaux ont été étudiés Semiconducteurs inorganiques (Se, CdS, Si, GaAs, CdTe, CIGS,...) Semiconducteurs organiques (moléculaires, polymères,...)

4 Photopile Silicium standard Silicium cristallin 0,2 à 0,3mm d'épaisseur 125 x 125 mm2 Rendement Typique 15% Commerciaux 12-20% Pcrête = 2,2 Watt pour 150cm2 V 0,6V, I 3,5 A Module (PWX 500) 15V 3,5A rendement 10%

5 Energie produite Soleil : rayonnement de corps noir à 6000 K 1kW/m2 au sol, (face au soleil, soleil au zenith) 1000h équivalent plein soleil par an à Paris 2000h équivalentes à Dubai Production photovoltaïque, pour 10% de rendement, à Paris : 100Wpar m2 de module, 1000heures/an soit 100kWh/m2 et par an 1MW couvre un hectare et produit 1GWh Il faut ha pour produire 10% de la consommation électrique française, soit 22x22km2 3/04/07 Bernard Equer Photovoltaïque CNISF 5

6 Sommaire Principe, rendement Production, Prix et évolution La filière dominante : le silicium cristallin Les challengers : les couches minces Nouvelles voies : hauts rendements et organiques Conclusions

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8 Prix d'après PV VISION 3/04/07 Bernard Equer Photovoltaïque CNISF MW cumulés 8

9 Cas du PV réseau selon PV TRAC 3/04/07 Bernard Equer Photovoltaïque CNISF 9

10 Coût du kwh photovoltaïque Hypothèses Achat à 3 /Wc (achat en grande quantité) Durée de vie 20 ans Amortissement à 5% À Paris (1000h/an), coût 0,4 /kwh... à Dubai (2000h/an) ça s'améliore : 0,2 /kwh 3/04/07 Bernard Equer Photovoltaïque CNISF 10

11 Ventilation des coûts et de l'energie 3/04/07 Bernard Equer Photovoltaïque CNISF 11

12 Facteurs d'abaissement des coûts 1 production de masse (amélioration incrémentale de toutes les étapes de production) 2 amélioration du rendement (joue sur l'ensemble des coûts) 3 nouvelles technologies 3/04/07 (ou ruptures tech.) Bernard Equer Photovoltaïque CNISF 12

13 Sommaire Production, Prix et évolution Principe, rendement La filière dominante : le silicium cristallin Les Challengers : les couches minces Nouvelles voies : hauts rendements et organiques Conclusions

14 Situation actuelle La filière historique reste dominante : la jonction p-n sur silicium (1954) 1ére Génération Plusieurs filières en couches minces sont en début ou en voie d'industrialisation (a-si:h, CIGS, CdTe, ruban Si) 2ème génération Plusieurs voies de recherche: 3ème génération Hauts rendements Nano matériaux, organiques 3/04/07 Bernard Equer Photovoltaïque CNISF 14

15 La filière du silicium cristallin 1/ Elaboration du silicium solaire : phase métallurgique, haute pureté requise mais moindre que pour le silicium électronique 2/ Production des plaques (wafers) : Fusion-cristallisation lingots mono ou multicristallin, sciage 3/ Elaboration des cellules : jonction np diffusée, Grille de collection Avant et électrode AR sérigraphiées Couches de passivation et couche AR 4/ Réalisation des modules : prise de contact, encapsulation Rendements des produits commerciaux de 13 à 18% Soit 130Wc/m2 à 180Wc/m2. 3/04/07 Bernard Equer Photovoltaïque CNISF 15

16 Photopiles à plus de 20% 3/04/07 Bernard Equer Photovoltaïque CNISF 16

17 SunPower (Prix système 4kW : $) 3/04/07 Bernard Equer Photovoltaïque CNISF 17

18 D'après Cythelia

19 Pénurie de silicium solaire : jusqu'à quand? La demande en Si du PV excède les capacités utilisées jusqu'ici. D'où pénurie, spéculation et flambée des prix de 25 /kg jusqu'à > 100 /kg Conséquence : de nombreux nouveaux acteurs Soit avec des procédés traditionnels (SILPRO à SaintAuban) Soit avec de nvx procédés (purif plasma) comme Invensil (Chambéry), Emix (La Souterraine).

20 Sommaire Production, Prix et évolution Principe, rendement la filière dominante : le silicium cristallin les challengers : les couches minces Nouvelles voies : hauts rendements et organiques Conclusions

21 Le concept couches minces Le silicium est un mauvais matériau optoélectronique. Il faut environ 100µm pour absorber la lumière. Il faut une excellente qualité de matériau pour récupérer les électrons et les trous. Or on en utilise 0,5mm pour une cellule de 0,25mm (le sciage en perd la moitié). Or il suffit de 1 à 5 µm d'un semiconducteur normal (à gap direct) pour absorber le rayonnement solaire. Exemple GaAs. Pour éviter les pertes de matière, il faut déposer l'épaisseur utile du matériau sur un substrat bon marché. Trois approches: Les rubans de silicium Le silicium amorphe et microcristallin (et polymorphe) Les filières du CdTe et du CIGS

22 Les couches minces : une faible part du marché Mais : De nombreux industriels présents sur les trois technologies Les modules «commerciaux» offrent des rendements d'environ 10% D'importants investissements annoncés en

23 Décroissance du silicium amorphe Mais constance des rubans de silicium (en %) Et émergence de CdTe et CIGS

24 Les filières couches minces : a-si:h Les bons semiconducteurs sont ultrapurs et ultra ordonnés (cristallins) Découverte des années : Le silicium amorphe hydrogéné : Est un semiconducteur Est à transition directe, 1µm suffit Peut-être déposé à <150 C sur du verre Mais, il est métastable et η diminue avec t Le rendement ne dépasse pas 6% à 8%

25 La technologie a-si:h en 2005 Doubles et triples cellules empilées : a-si : H absorbe dans le bleu a-ge:h absorbe dans le rouge On sait obtenir les alliages a-sixge1-x η 6 à 8% stabilisé (Unisolar). Coût compétitif On sait le déposer sur substrats souples On sait sortir des tensions élevées (24V- 48V) par interconnexion monolithique Rouleaux PV pour toitures à 8%

26 Les cellules multijonctions (a-si)

27 Le dépôt «roll to roll» Document Nedo

28 Dépôt sur ruban inox ou plastique

29 Les rubans : des couches semi-minces

30 Avantage énergétique du ruban

31 Evolution de la filière à court-moyen terme Savoir faire acquis : dépôt par plasma à partir de gaz porteurs SiH4, GeH4,... Maîtrise du dépôt sur grandes surfaces (m2) grâce aux écrans plats Interconnexion monolithique, gravure la cristallisation partielle (nanograins) ou totale ouvre plusieurs voies nouvelles : Matériaux micromorphes, polymorphes : 10% Cellules HIT (cristallin + amorphe) : >20% CSG : recristallisation de a-si : 2μm, vise les 10%

32 Des structures avancées

33 Les couches minces cristallines hors silicium Deux matériaux ont émergé parmi les centaines testés dans les années CdTe déposé par électrochimie,évaporation, sérigraphie : bonnes performances (>10%) à côut compétitif, mais menacé par législation anticadmium CIGS (Cuivre-Indium-Gallium-selenium) par coévaporation ou électrochimie (IRDEP)

34 CdTe et CIGS Il faut : une bande interdite adaptée (1 < Eg<2eV) Une absorption forte (dans 1µm) Une bonne cristallinité (croissance colonnaire) Une bonne mobilité électronique La possibilité de réaliser des jonctions, (ici, avec un autres semiconducteur comme CdS) Une disponibilité suffisante et une toxicité acceptable CdTe : longue expérience, plusieurs procédés de dépôt (électrochimie par BP Solar, sérigraphie par Matsushita) avec jonctions CdS CuInSe2 (Eg = 1eV) et le composé Cu(InGa)Se2 On peut faire du multispectral

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36 Des performances pour les meilleurs modules : Record Labo CIGS Shell Solar Würth Solar CdTe First Solar Antec A-Si UniSolar (triple jonction) Meilleur module Module commercial 19,5% (NREL) 12,90% 9,40% 13,00% 11,00% 16,5% (NREL) 10,20% 9,00% 7,30% 6,90% 7,90% 6,30% 13,50% 12,7% Kaneka (simple jonction) Sanyo Sources : KK. Zweibel (2005), Kazmerski (2005) 6,30%

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38 2007 : une nouvelle vague? Des redéploiements et annonces de création importantes. Entre autres : En CdTe : First Solar (75 MW+45 MW MW) En CIGS : Avancis (Shell-Saint-Gobain) 20 MW en 2008 Nanosolar : 430 MW! En Silicium : CSG

39 Sommaire Production, Prix et évolution Principe, rendement la filière dominante : le silicium cristallin Les challengers : Les couches minces Nouvelles voies : hauts rendements et organiques Conclusions

40 Rendement maximum théorique Limite thermodynamique (qq soit le matériau) : η = 1 Tterre / Tsol= 95% Si le matériau est un semiconducteur : Photons hν < Eg : perdus, Photons hν > Eg : ne fournissent que Eg Eg optimum = 1,45 ev et η 28% 3/04/07 Bernard Equer Photovoltaïque CNISF 40

41 Meilleurs Rendements obtenus avec des semiconducteurs 3/04/07 Bernard Equer Photovoltaïque CNISF 41

42 Vers les hauts rendements Concept multispectral Monolithique : on empile des cellules Eg1>Eg2 > Eg3... > Egn Ou Non-monolithique : séparation par filtres et miroirs (sous concentration) Chaque bande spectrale est convertie avec un rendement 100% si la bande est infiniment étroite. Théorie > 40% pour quatre cellules N'est optimum que pour une distribution spectrale donnée Concentration (courant inchangés, mais V croît comme Log C) Expérimental : 40,7% avec triple cellule sous 256soleils 3/04/07 Bernard Equer Photovoltaïque CNISF 42

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44 Multispectral à très haut rendement Quel Avenir? Technologie coûteuse et spécifique Utilisation en modules plans peu probable ou très long terme Coûts directs proportionnels au nb de couches n Taux de production exp ( -n) Bien adaptée aux techniques à concentration avec suivi du soleil. Mais quel marché? Petits générateurs compacts? Marché potentiel: applications spatiales (actuellement bi et tri-spectral ) et militaires 3/04/07 Bernard Equer Photovoltaïque CNISF 44

45 Autres approches des hauts rendements Récupérer les photons IR grâce à des niveaux quantiques intermédiaires. Matériaux à trois bandes (bande de défauts) Multi puits quantiques, nano grains Pas de résultat ni de calcul décisif aujourd'hui! Améliorer la conversion des photons UV Augmenter la probabilité de conversion (par des convertisseurs fluorescents) Produire plusieurs électrons par photon Thermo-PV Besoin de recherche de base sur des sujets difficiles 3/04/07 Bernard Equer Photovoltaïque CNISF 45

46 Les photons IR sont perdus Optimum Les photons UV donnent au mieux Eg

47 Colorants et organiques Des semiconducteurs organiques sont connus depuis les années 60 (polymères comme le polyacétylène, des cristaux moléculaires comme les phtalocyanines). Rendements <1%, peu stables. En 1991, les cellules à colorants de Graetzel introduisent un nouveau concept : la conversion photon-électron et la séparation électron-trou par une molécule de colorant. Le succès des OLED a démontré que des composés organiques pouvaient résister à des densités de courant/ ou de photons très élevées. Pourquoi pas un OPV? Mais, les matériaux doivent être ultrapurs donc chers! La palette de composés disponibles ou imaginables est immense : polymères+fullérènes+nano particules... Des concepts nouveaux sont apparus pour la séparation de charge : dissociation des excitons, réseaux interpénétrès... Mais on est loin des 10% de rendement... 3/04/07 Bernard Equer Photovoltaïque CNISF 47

48 Le Photovoltaïque Conversion Directe (quantique) de la lumière Dans tout matériau qui présente une bande interdite Eg de 1eV à 2eV entre niveaux électroniques occupés et niveaux vides : 1 L'énergie de la lumière est convertie (en partie) en un gaz d'électrons 2 en créant une disymétrie aux électrodes, on peut collecter les électrons (et les trous) 3/04/07 Bernard Equer Photovoltaïque CNISF 48

49 D'après Nierengarten, CNRS, Strasbourg 3/04/07 Bernard Equer Photovoltaïque CNISF 49

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51 Semiconductor Photoelectrochemistry nanocrystalline solar cell e- e- fil al m et in g ct Red co nd u hν m gl as s i S S* S+ Ox dye-sensitized nanocrystalline TiO2 B. O Regan, M. Grätzel Nature 1991, 353, 737

52 Le photovoltaïque sous concentration : Une étude prospective pour le FP7 Exige un climat à ciel clair (climat désertique)

53 Photovoltaïque sous concentration (DOE 2003)

54 Sommaire Production, Prix et évolution Principe, rendement la filière dominante : le silicium cristallin Les challengers : les couches minces Nouvelles voies : hauts rendements et organiques Conclusions

55 Grands axes d évolution du PV L industrie PV passe de modes de production semiartisanaux à une production automatisée, robotisée intégrant tous les moyens de la microélectronique. L intégration architecturale et technologique dans les bâtiments du futur risque d être le principal moteur de la demande La demande sociétale, les pressions environnementales et économiques, la concurrence des autres modes de production seront aussi déterminantes le progrès des technologies qui sont susceptibles de modifier considérablement la performance à l horizon /04/07 Bernard Equer Photovoltaïque CNISF

56 La disponibilité aléatoire de l'énergie solaire reste un handicap majeur Un progrès majeur en stockage de l'électricité changerait le profil d'usage du PV : En ouvrant les applications en zones rurales, isolées et PED En relâchant les contraintes sur le réseau. La génération directe d'un composé stockable comme H2 améliorerait la compétitivité des centrales solaires PV.

57 D'après N.S. Lewis, Caltech

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59 Marchés 2010 et 2030 Prévisions : 20 % en 2010, puis??

60 Conclusions Le développement explosif actuel du PV se fait en connecté réseau. Cette situation perdurera sauf innovation radicale dans le stockage La capacité des réseaux futurs à supporter une large fraction d'énergies intermittentes reste un sujet de débat Le connecté réseau et les centrales à concentration ne conviennent qu'aux pays développés. La filière dominante du silicium cristallin restera sur le marché pendant au moins 10 ans, et probablement jusqu'en un marché en forte croissance est favorable au développement de filières alternatives en parallèle avec la filière dominante. L'intégration au bâti est la voie choisie en France pour développer le PV. Mais encore peu de produits disponibles.

61 «tout ce que l'homme a fait de grand, il l'a fait au nom d'espérances déraisonnables» Jules Verne