Energie photovoltaïque. Filière Physique des Composants Nanostructurés. PHELMA Septembre 2010

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1 Energie photovoltaïque Filière Physique des Composants Nanostructurés PHELMA Septembre 2010 Anne Kaminski 1, Mathieu Monville 2 1 INP Grenoble - INSA Lyon 2 Solarforce 1

2 PLAN DU COURS 1- Panorama de l énergie mondiale, contribution et intérêt de l énergie photovoltaïque. Rappels sur le rayonnement solaire. 2- Conversion photon électron, convertisseur PV idéal. Physique des cellules PV, calcul de la réponse spectrale, du courant photogénéré, du rendement. Paramètres caractéristiques. Pertes. 3-Cellules de 1 ère génération * Elaboration et caractérisation du silicium * Aspects technologiques et physiques des cellules de première génération 4- Cellules de 2ème et 3 ème génération * Cellules en couches minces en silicium, matériaux II-VI et organiques * Nouveaux concepts pour augmenter l absorption du rayonnement solaire et atteindre des hauts rendements. 2

3 PLAN DU COURS 1- Panorama de l énergie mondiale, contribution et intérêt de l énergie photovoltaïque. Rappels sur le rayonnement solaire. 2- Conversion photon électron, convertisseur PV idéal. Physique des cellules PV, calcul de la réponse spectrale, du courant photogénéré, du rendement. Paramètres caractéristiques. Pertes. 3-Cellules de 1 ère génération * Elaboration et caractérisation du silicium * Aspects technologiques et physiques des cellules de première génération 4- Cellules de 2ème et 3 ème génération * Cellules en couches minces en silicium, matériaux II-VI et organiques * Nouveaux concepts pour augmenter l absorption du rayonnement solaire et atteindre des hauts rendements. 3

4 INTRODUCTION : DE L ENERGIE Energie ENERGIE SOLAIRE? Energie renouvelable Energies fossiles Energie photovoltaïque : électricité Energie thermique : solaire thermique Soleil et lumière Technologies et dispositifs Performances et recherche 4

5 INTRODUCTION : DE L ENERGIE SOLAIRE L ENERGIE : propriété physique indispensable à toute évolution, à tout changement, à toute activité L énergie est une nécessité, Elle a un prix, Elle est multiforme ENERGIE ENVIRONNEMENT DEVELOPPEMENT ECONOMIE 5

6 INTRODUCTION : DE L ENERGIE SOLAIRE LES ENJEUX DE L ENERGIE POUR L HOMME 1) LES SOURCES D ENERGIE 2) LES PERTES 3) LES RESERVES 4) LE STOCKAGE ET LE TRANSPORT DE L ENERGIE 5) LES DECHETS 6) LES BESOINS 6

7 INTRODUCTION : DE L ENERGIE SOLAIRE LES FORMES DE L ENERGIE - Energies fossiles? pétrole, gaz - Energie nucléaire? fission, fusion, - Energies «renouvelables»? solaires, éolienne, biomasse (bois, déchets, alcool), hydraulique, géothermie, etc. 7

8 INTRODUCTION : ORDRES DE L ENERGIE DE GRANDEURS ET GRANDEURS LIES A L ENERGIE ENERGIES NON RENOUVELABLES : DES RESERVES LIMITEES FOSSILE Pétrole : kwh Charbon : kwh Gaz naturel : 1, kwh soit 40 à 50 ans soit 220 ans soit 60 ans NUCLÉAIRE Fission (U 235 ): kwh soit 50 à 60 ans Surgénérateurs (U 238 ): kwh soit 1200 ans Fusion (deutérium et tritium): à kwh encore très incertain Source : CEA,

9 INTRODUCTION : ORDRES DE L ENERGIE DE GRANDEURS ET GRANDEURS LIES A L ENERGIE Source : ENS Cachan,

10 INTRODUCTION : ORDRES DE L ENERGIE DE GRANDEURS ET GRANDEURS LIES A L ENERGIE Source : ENS Cachan,

11 INTRODUCTION : ORDRES DE GRANDEURS ET GRANDEURS LIES A L ENERGIE ORDRE DE GRANDEUR ET GRANDEURS LIEES A L ENERGIE 1 kwh = ev 11

12 INTRODUCTION : ORDRES DE GRANDEURS ET GRANDEURS LIES A L ENERGIE La PUISSANCE, c est un «débit d énergie» P = W / t P, puissance, en W W, énergie, travail, en J t, temps, en s 12

13 INTRODUCTION : ORDRES DE GRANDEURS ET GRANDEURS LIES A L ENERGIE QUELQUES DONNEES DE POTENTIEL ENERGETIQUE : Source : Annual Review of Energy,

14 INTRODUCTION : ORDRES DE GRANDEURS ET GRANDEURS LIES A L ENERGIE Facteurs de conversion Equivalence : 1 tep (tonne équivalent pétrole) = 1 toe (ton oil equivalent) = kwh Source : IEA,

15 INTRODUCTION : PANORAMA DE L ENERGIE MONDIALE PANORAMA DE L ENERGIE MONDIALE Des échelles gigantesques La consommation énergétique mondiale en 2003 : kwh ou 10 Gtep Source : Mal de Terre, H.Reeves,

16 INTRODUCTION : PANORAMA DE L ENERGIE MONDIALE Les sources d énergie actuelles pour l homme (1) : Sources d énergies L approvisionnement en énergie repose essentiellement sur les «énergies fossiles», à hauteur de 75% Source : IEA,

17 INTRODUCTION : PANORAMA DE L ENERGIE MONDIALE Les sources d énergie actuelles pour l homme (2) : Consommation et tendances L économie mondiale est une grosse consommatrice d énergie : augmentation de 100% en 35 ans Source : IEA,

18 INTRODUCTION : PANORAMA DE L ENERGIE MONDIALE / CAS DE L ELECTRICITE Les sources d énergie actuelles pour l homme (3) : Cas de l électricité La production électrique actuelle à l échelle mondiale : ~ 20 TWh 20 milliards de kwh Source : IEA,

19 INTRODUCTION : PANORAMA DE L ENERGIE MONDIALE / CAS DE L ELECTRICITE Les sources d énergie actuelles pour l homme (3) : Cas de l électricité, suite La production d électricité a suivi la croissance de la consommation énergétique : augmentation de 130% en 35 ans La part des «énergies renouvelables» hors hydraulique, est de l ordre de 2,5%, soit 1/40 ème de la production électrique mondiale Source : IEA,

20 INTRODUCTION : ENVIRONNEMENT ENVIRONNEMENT > Rejets gazeux dus à la combustion des produits carbonés : > 1kW PV installé réduit ou élimine par année : Oxydes d azote NOx 16 kg Oxydes de soufre 9 kg Particules 0,6 kg CO à 2300 kg Source : C.Belouet, Solarforce,

21 INTRODUCTION : ENVIRONNEMENT Les sources d énergie actuelles pour l homme : Impact des activités humaines sur la génération des «gaz à effet de serre» Cas du CO 2 Les émissions de CO 2 via les activités humaines ont doublé en 35 ans. La concentration en CO 2 dans l atmosphère est à son niveau le plus élevé depuis ans. L ère industrielle (depuis 1850) a vu son taux multiplié d un facteur 1,5. Source : IEA,

22 1- INTRODUCTION Panorama de : ENERGIES l énergie mondiale, RENOUVELABLES contribution et intérêt de l énergie photovoltaïque. Rappels sur le rayonnement solaire. «ENERGIES NOUVELLES» (1970 s) «ENERGIES RENOUVELABLES» (1990 s) - Solaire photovoltaïque, - Solaire thermique, - Eolienne, - Biomasse (bois, déchets, alcool) - Hydraulique, - Géothermie, etc. 22

23 PLAN INTRODUCTION COURS: ENERGIES RENOUVELABLES Les sources d énergie actuelles pour l homme : Equilibrage nécessaire à moyen terme, avec renforcement de la contribution des énergies renouvelables La consommation énergétique mondiale aura encore doublé d ici 2030 Les «énergies renouvelables» entreront pour une part de 14 à 22% dans les sources d énergie mondiales Source : IEA,

24 INTRODUCTION : ENERGIES RENOUVELABLES Notions de scénarios énergétiques 24

25 INTRODUCTION : ENERGIES RENOUVELABLES Notions de scénarios énergétiques 25

26 INTRODUCTION : ENERGIES RENOUVELABLES Incitations politiques : en Europe, objectif fixé à 20% des apports énergétiques d origine renouvelable en 2030 Source : EPVSEC, /1

27 INTRODUCTION : ENERGIES RENOUVELABLES Source : EPIA,

28 INTRODUCTION : ENERGIES RENOUVELABLES Source : Commission Européenne,

29 INTRODUCTION : EXEMPLE DE REALISATIONS/PROJETS Une ferme photovoltaïque avec m 2 de panneaux solaires a été inaugurée fin 2006 à la Réunion. Puissance : 1MW Elle devrait produire 1,35 MWh d électricité par an, soit l équivalent de la consommation de 300 foyers

30 INTRODUCTION : EXEMPLE DE REALISATIONS/PROJETS Sur le toit du stade Geoffroy Guichard à Saint Etienne, 2600 m 2 de panneaux solaires. Puissance : W Production prévue : KWh par an. Consommation électrique moyenne de 60 maisons individuelles Permet d éviter le rejet annuel de 70 tonnes de CO2 dans l atmosphère Coût total : 1,85 million d euros Inauguration en août 2007

31 INTRODUCTION : EXEMPLE DE REALISATIONS/PROJETS Année de réalisation 2003 Puissance crête Production annuelle 12,8 kwc kwh Coût total Subventions totales A charge du maître d ouvrage

32 INTRODUCTION : EXEMPLE DE REALISATIONS/PROJETS

33 INTRODUCTION : INTEGRATION DU PHOTOVOLTAÏQUE DANS UN CADRE PLUS GLOBAL + Education! 33

34 INTRODUCTION : EXEMPLE DE REALISATIONS/PROJETS Le projet Désertec /1

35 Energie photovoltaïque Filière Physique des Composants Nanostructurés PHELMA Septembre 2010 Anne Kaminski 1, Mathieu Monville 2 1 INP Grenoble - INSA Lyon 2 Solarforce 35

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