Recherche et développement sur le Photovoltaïque

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1 Recherche et développement sur le Photovoltaïque Les composants d'un système photovoltaïques Les systèmes photovoltaïques sont composés de cellules (transformation de l'énergie lumineuse en courant électrique continu) assemblées sous forme de modules (ensemble de cellules couplées) qui sont implantés sur des supports de fixations permettant d'assurer la résistance mécanique et l'étanchéité du système. Pour les sites non relié au réseau électrique, un système de stockage (généralement des batteries) est adjoint au système. Dans le cas des systèmes raccordés au réseau, qui représentent aujourd'hui l'essentiel du marché mondial et national, le courant continu issu des modules est transformé en courant alternatif via un onduleur. Il est ensuite injecté sur le réseau de distribution d'électricité. Les différentes technologies de cellules photovoltaïques Plusieurs technologies sont actuellement développées pour la réalisation de cellules photovoltaïques. Les degrés de maturité, de performance et de durée de vie sont très différents d'une technologie à l'autre. Les efforts de R&D actuels entraînent des progrès rapides, faisant de la filière photovoltaïque une filière en constante évolution. Technologies et performances des cellules photovoltaïques aujourd'hui Technologie Rendement de conversion Durée de vie Silicium polycristallin 12 à 16 % (industriel) 35 ans Silicium monocristallin 15 à 20% (industriel) 35 ans Couche mince Silicium amorphe 7% (industriel) < 10 ans (en extérieur) Couche mince CIS* 10 à 12% (laboratoire) Non évaluée Filière organique / inorganique 3 à 5% Quelques mois (*) CIS : technologie des couches minces à partir de semi-conducteurs : cuivre indium sélénium. Certains procédés en couche mince utilisent aussi du Tellure, du Gallium et du Cadmium. Chaque filière possède ses avantages et ses inconvénients: rendements, coûts de production, disponibilité des matières premières, difficultés d'industrialisation, faible durée de vie des cellules... Si la filière à base de silicium cristallin domine actuellement le marché avec plus de 90% des ventes, il est impossible de prévoir lesquelles de ces technologies s'imposeront dans le futur.

2 Evolution du marché Dans le monde Le marché du photovoltaïque est en très forte croissance depuis 20 ans (15% entre 1985 et 1995, puis 35% entre 1995 et 2003, de 40% de 2003 à 2005, et environ 60 % depuis 2005). La plupart des pays européens disposent aujourd'hui d'une stratégie incitative basée des tarifs d'achat de l'électricité d'origine photovoltaïque et des aides fiscales. En Europe, l'allemagne a développé son marché depuis les années 1990 à travers des programmes nationaux («1000 toits solaires» puis « toits solaires»). Suite à une élévation de ses tarifs d'achat, l'espagne a été en 2007 et 2008 le premier installateur mondial de panneaux photovoltaïques. Elle a depuis baissé ses tarifs d'achat. En France Le marché français est encore relativement réduit (135MW installé fin 2008), mais double chaque année depuis Les nouvelles incitations mises en place récemment sont de nature à créer une impulsion nouvelle : crédit d'impôt sur les équipements et tarif d'achat de l'électricité photovoltaïque (0,328 /kwh) avec la spécificité d'une forte prime à l'intégration au bâti (0,274 /kwh ou 0,122 c /kwh). Année puissance installée (MW) objectif ,1 13,6 33,6 46, Puissance photovoltaïque installée en France sur les cinq dernières années (périmètre EDF, source CRE) Tissu industriel Historiquement dominée par les entreprises allemandes, américaines et dans une moindre mesure japonaise, l'industrie de fabrication des cellules photovoltaïques est actuellement en constante évolution avec la naissance d'acteurs nouveaux dans toutes les filières. Il est à noter que depuis 2008, un grand nombre d'usines chinoises ont vu le jour et constituent désormais les principaux producteurs de cellules photovoltaïques à base de silicium cristallin. L'essor de la filière photovoltaïque se traduit aussi par une augmentation du nombre d'entreprises spécialisée dans l'assemblage des modules en panneaux et dans l'installation et l'entretien des dispositifs photovoltaïques. Cette partie aval de la filière est actuellement en plein foisonnement sur le territoire et devrait progressivement se structurer autour de quelques leaders.

3 évolution des capacités de production des principaux fabricants de cellules photovoltaïques (source: étude pricewaterhousecoopers pour le MEEDM, mars 2009) Efforts de R&D Deux instituts ont été récemment créés pour fédérer les compétences académiques au niveau national : INES CEA/CNRS dans la filière silicium et la filière organique/inorganique. Cet institut constitue la tête de pont du photovoltaïque en France avec une taille comparable (environ 300 personnes) à celle des grands instituts étrangers ; IRDEP unité mixte de recherche EDF/CNRS/ENSCP (environ 35 personnes) dans la filière des couches minces. L'action concertée de l'ademe (2 à 3 M /an) et de l'agence nationale de la recherche (ANR) (10 M /an en 2005 et en 2006) a permis de développer la R&D avec un nouvel élan. L'Ademe a ainsi mis en place un fonds démonstrateur dont 10 à 20 M devrait être consacré au financement de démonstrateurs photovoltaïques. De grands industriels français soutiennent le développement du photovoltaïque : Total, EDF, Saint-Gobain. Total est impliqué dans la filière silicium au travers d'une filiale franco-belge Photovoltec pour la production de cellules, au travers de la filiale Tenesol (Total-EDF) pour la fabrication de modules, au travers de la filiale Atotech pour la filière des couches minces CIS. Total est partenaire de plusieurs projets soutenus par l'anr sur des voies innovantes comme le silicium ruban, sur les cellules tandem en silicium amorphe.

4 EDF est impliquée dans le développement d'une filière industrielle selon un procédé original dans la filière CIS (technologie des couches minces à partir de semi-conducteurs : cuivre indium sélénium). Au sein de l'irdep sont développées les activités de recherche sur le CIS et les nouveaux concepts à très haut rendement. Ces actions sont soutenues par l'anr. EDF est prête à intégrer l'électricité d'origine photovoltaïque dans ses réseaux de distribution. Saint-Gobain a déjà une activité dans la chaîne complète du photovoltaïque depuis la fabrication de moules pour la fonderie des lingots de Si jusqu'à la fabrication des verres pour les modules photovoltaïques, pour la fabrication d'abrasifs de découpe, pour l'élaboration de matériaux d'encapsulation Saint-Gobain est partenaire de plusieurs projets ANR depuis 2005 sur les couches minces (CIS et Si amorphe) et sur les composés organiques. Saint Gobain s'implique aussi sur l'intégration du photovoltaïque dans les bâtiments. APEX BP SOLAR, implanté près de Montpellier, développe des systèmes intégrés aux bâtiments. Enfin IMERYS TOITURE, le plus important fabricant français de tuiles traditionnelles, a développé des tuiles photovoltaïques, prémisse d'un courant d'innovation portant sur les composants photovoltaïques intégrables au bâti, courant promu par les pouvoirs publics via le nouveau tarif d'achat français. Efforts privilégiés de R&D Les efforts de recherche sont des éléments décisifs pour l'augmentation des performances et la baisse des coûts des filières matures. Ils doivent aussi susciter l'émergence de nouveaux concepts pour les filières du futur. On estime qu'à l'horizon 2015, la nouvelle génération de matériaux sera prête. Objectifs de la R&D Travaux Horizon Baisse des coûts des systèmes Amélioration du rendement et baisse des coûts des cellules Nouveaux concepts Amélioration des onduleurs Optimisation de la gestion du système complet en intégrant photovoltaïque dans les systèmes énergétiques Développement de produits adaptés à l'intégration au bâti (tuiles solaires ) Amélioration du silicium métallurgique architectures de cellules (20% de rendement pour les cellules Si, environ 1 /W en 2010) Développement industriel pour la technologie CIS Nouvelles architectures de cellules à très haut rendement Récupération de la chaleur Utilisation d'une plus grande partie du spectre

5 Couplage au réseau / stockage Nouveaux matériaux solaire Maximum de puissance de stockage dans le minimum de volume et de masse Filière organique/inorganique à très bas coût fiable dans le temps Priorités de recherche solaire photovoltaïque : < 5 ans : 5 10 ans : > 10 ans