L électricité photovoltaïque à la portée de tous grâce aux ingénieurs

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1 Colloque pour les enseignants du secondaire L électricité photovoltaïque à la portée de tous grâce aux ingénieurs peter.cuony@epfl.ch (valable jusqu à fin 2011) peter.cuony@gmail.com Photovoltaics and thin film electronics laboratory Institut de microtechnique, EPFL/STI/IMT-NE Rue A.-L. Breguet 2, CH-2000 Neuchâtel

2 Contenu Introduction Motivation énergies renouvelables Différentes applications du photovoltaïque Potentiel et coûts du photovoltaïque Les différents technologies photovoltaïques L effet photovoltaïque Fonctionnement d une cellule solaire Cellules en silicium cristalline et silicium couche mince Le rôles des ingénieurs Recherche et développement Industrialisation et production Installation Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

3 Introduction énergies fossiles Production de CO 2 par habitant en Suisse: 6t 7.8mio Suisses 47mio t/an en Suisse Masse volumique CO 2 :1,87 kg m km 3 CO 2 Surface Suisse: km 2 Ajoute une couche de 0.5 m de CO 2 pur par année sur toute la surface de la Suisse (CO 2 dans l air = 0.038%) Ce n est pas une solution durable! Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

4 Introduction l énergie nucleaire C est durable mais pas très intelligent! Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

5 Energie Solaire Energie renouvelables énergie éolienne (réchauffement de la terre) Eolienne énergie hydraulique (évaporation de l eau et pluies) biomasse (photosynthèse) Centrale Hydroélectrique Bioréacteurs électricité Panneaux solaires Effet photovoltaïque Capteurs solaires thermiques électricité chaleur électricité biogaz, électricité Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

6 Différentes filières applications mobiles petites applications pour augmenter la mobilité - quantités d énergies négligeables Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

7 PV semi-transparent ou coloré Produits architecturales Cher et rendements faibles Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

8 Toiture solaire installation ajoutée La majorité des installations en Suisse aujourd hui - Pas très beau Assez cher Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

9 Toitures et Façades solaires installations intégrées Marché croissant - beau - potentiel de coûts bas Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

10 Intégration dans les toitures industrielles Installations les plus rentables en Suisse Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

11 Parcs solaires Surtout dans des régions à fort ensoleillement (zones arides) très bas coûts Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

12 Résumé des différentes filières d application Accessoires Applications mobiles Produits à haute valeur ajoutée Marchés de niche rentables, mais quantité d énergie produite négligeable Toitures solaires Production décentralisé Aujourd'hui principalement des installations ajoutées Tendance vers l intégration Parcs solaires Production centralisé Principalement dans des zones à fort ensoleillement Acheminement de l énergie (Desertec) Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

13 Quizz: Quelle est la surface nécessaire pour produire avec des panneaux solaires (rendement de 10%) l équivalent de toute la consommation d électricité des USA? 1. ½ Lake Michigan? 2. L état Colorado? 3. ½ des USA? Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

14 Potential du PV aux USA Avec systèmes PV à 10% rendement Cons. électricité Cons. énergie Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

15 Potentiel PV en Suisse Consommation d électricité en Suisse 2009: GWh =60*1000*1000*1000 kwh En Suisse: 400 km 2 toit 200 km 2 orienté sud 200 km 2 * 150 Wp/m 2 (module de 15%)* 1 kwh/wp/an (ensoleillement) = GWh d électricité solaire GWh Hydraulique Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

16 Applications individuelles - PV Avec des modules à 15% (150 W p /m 2 ) en Suisse (1 kwh/w p /an): 20 m 2 besoins d électricité d une famille (3000 kwh) 10 m km avec voiture électrique (15 kwh / 100 km) Si le stockage est amélioré (batteries, pile à combustible, ) 100% autonome. Pour ceux qui n ont pas de toit à couvrir: -> courant solaire pour 50 ct/kwh Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

17 Prix de l électricité PV Prix actuels pour une installation 20 kwp (2011): 2000 SFr/kW p Module 800 SFr/kW p Onduleur & Cables 1700 SFr/kW p Installation et entretien 4500 SFr/kW p Coût total pour le système Prix de l électricité solaire (système remboursé en 25 ans) Intéret sur capital Ensoleillement 0% 3% 5% 7% Norvège (600 kwh/kwp) Suisse (1000 kwh/kwp) Espagne sud (1800 kwh/kwp) Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

18 Axpo (2007): publicité pour ridiculiser l énergie solaire Les distributeurs d électricité vendent de l électricité produite dans leur grandes centrales. La production décentralisé leur fait peur! Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

19 Croissance mondial du PV Croissance 40% par année grâce aux programmes politiques de: Allemagne, Espagne, Italie, Japon, USA, Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

20 PV par rapport aux autres énergies Les capacités de production d électricité ajouté au niveau mondiale en 2010 sont semblable pour le PV, l Eolien et le Charbon, mais encore loin derrière le gaz. Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

21 Aspects scientifique Photovoltaïque = conversion directe de lumière en électricité basé sur l excitation d un électron dans un semi-conducteur par la lumière -> pluridisciplinaire Physique Chimie Optique Science des matériaux Processus Semi-conducteurs Technologies de Production Source: EPIA Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

22 L électron et le photon Avalanche de neige Rivière Courant électrique Rayonnement solaire Crystal de neige Molécule d eau Electron Photon Grain de l avalanche Grain de l eau Grain de l électricité Grain de Lumière Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

23 Effet photovoltaïque conversion directe de lumière en électricité ou un photon absorbé crée un électron - Puissance utile dissipée sur R M tension courant + Tension dépend du matériel (~0.6 V c-si, 0.5V µc-si:h, 0.9V a-si:h) Courant (A) depend du matériel et est proportionnel à la surface (~ 32 ma/cm 2 c-si, 24 ma/cm 2 µc-si:h, ma/cm 2 for a-si:h) Pour des grandes tensions connections en série de. n V max 1 n Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

24 PV : le choix de technologie Silicium cristallin Couches minces Concentration Multi-c. Mono-c. CdTe a-si/µc-si CIGS Semi-conducteurs III-V rendement 13-18% 6-13% 20-25% potentiel 20-25% 12-18% 30-40% Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

25 ncapsulation glass (3mm) crystalline silicon (200μm) Comparaison: Si cristallin vs. Si couche mince thin-film silicon (2 μm) encapsulation glass (3mm) Silicium cristallin (>1000 C) Coupé en plaquettes 85% du marché Technologie mature Silicium couches minces PECVD (~200 C) 5% du marché Potentiel de réduction de coûts E.coli 10% restant du marché: CdTe, CIS, et autres Source: Photon 2008 Hair 50 μm Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

26 Structure d une cellule solaire cellule solaire (tandem) couche en mince de silicium back reflector back ZnO E.coli p-i-n mc-si:h bottom cell 1/3 largeur cheveux 2um SOIR [1] p-i-n a-si:h top cell front ZnO Glass Light Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

27 Fabrication de cellules solaires «Silicium couche mince» Quartz (SiO 2 ) Silicium métallurgique SiH 4 Réacteur plasma Purification Purification Dissociation Installation Encapsulation Déposition Parc solaire Module Couche mince Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

28 Le rôle des ingénieurs recherche industrialisation installation Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

29 Some High-Tech Swiss PV activities Public research ETH domain (EPFL, EMPA, PSI) HES (Supsi, ZAE, Bern, Buchs) Industry R&D (Oerlikon, R&R CH, Dupont, Flisom, ) Equipments makers (Oerlikon, MB, AMAT CH, 3S, Pasan, Schneeberger, Essemtech, Comax ) Components /consumables (Sputnik, MC, SSF, Studer, Metalor Solaronix, ) Production Flexcell, Pramac, Swiss Wafer,3S, SES Other various:, Indeotec, Iland GT,Ideal Chimic Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

30 Recherche académique du PV en Suisse Des nouveaux conceptes EMPA: record CIGS Organic cells EPFL: LPI: Record and inventor dye cells (11-12%) l intégration EPFL: PV-Lab: Record a-si and inventor micromorph (11-12%) et les rêves EPFL: PV-Lab: High eff. c-si (>20%) PV-Lab/LTC Product/reliability LESO PV architecture Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

31 PV-Lab à Neuchâtel : 55 personnes travaillant sur Si cells on glass Dr. Despeisse, F. Sculati-Meillaud Flexible Si Dr. Haug Conductive oxydes TCO Dr. Nicolay Plasma Processing Bugnon Parascandolo Thin film electronics Dr. Wyrsch Packaging Dr. Perret a-si/c-si heterojunction Dr. De Wolf Equipment and systems R. Tscharner, C. Bucher Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

32 PV-Lab Neuchâtel: exemples de valorisation Micromorph cells on glass Cells on plastic foils High efficiency devices Building of own R&D tools Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

33 Some High-Tech Swiss PV activities Production lines for micromorph modules on glass Manufacturing of flexible PV foils Production tools for high eff. Crystalline -Si cells Start-up company for R&D tools Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire

34 Idées pour les enseignants: (allemand) (français) Explications sur le fonctionnement des cellules solaires: (anglais) Merci pour votre attention - Questions? Peter Cuony Colloque pour les enseignants du secondaire