Électricité photovoltaïque

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1 Électricité photovoltaïque Filières et marché par Jean-Claude MULLER Membre du Programme interdisciplinaire énergie du CNRS Institut d électronique du solide et des systèmes InESS (UMR 7163, CNRS-ULP) 1. Matériaux et filières technologiques... BE La filière silicium Matière première de silicium Silicium monocristallin Silicium polycristallin à gros grains, nommé silicium multicristallin Silicium en ruban autosupporté Silicium en couches minces Silicium nanocristallin et amorphe Mariage de l amorphe et du cristallin Autres matériaux en couches minces émergeants Matériaux à base de tellurure de cadmium Matériaux à base de séléniure de cuivre indium (CIS) Apparition de nouveaux matériaux et concepts Cellules multi-spectrales Composés organiques Apparition de nouveaux concepts Marché du photovoltaïque Les différents types de marché photovoltaïque Installations cumulées : forte prédominance de la production d électricité connectée au réseau Adaptation du produit au marché Perspectives d avenir du photovoltaïque... 8 Références bibliographiques... 9 A vant la fin de la première moitié de ce siècle, la conversion directe de la lumière du soleil en électricité grâce au photovoltaïque (PV) devrait franchir le seuil qui le rendra compétitif par rapport aux autres sources de production d électricité. Dans le dossier [BE 8 578], les principes de la conversion photovoltaïque ont été donnés. Ils incluent des notions relatives à l énergie transmise par le soleil, des éléments de physique des semi-conducteurs, les mécanismes de conduction de charges électriques, les caractéristiques électriques fondamentales du dispositif photovoltaïque et son usage en tant que générateur de courant. En conclusion, une application pratique donne une évaluation rapide du dimensionnement d une installation photovoltaïque. Dans les pages suivantes, on s intéresse aux différentes filières d élaboration du dispositif photovoltaïque. En effet, il reste des verrous technologiques à lever relatifs à la fabrication des cellules solaires, qui sont trop gourmandes en énergie et qui ont des répercussions sur l environnement : si la cellule photovoltaïque produit de l électricité sans aucun rejet dans l atmosphère, beaucoup de procédés actuels de fabrication sont proches de ceux de la microélectronique et mettent en jeu trop d opérations qui nécessitent l usage de produits chimiques est strictement interdite. Editions T.I. BE

2 ÉLECTRICITÉ PHOTOVOLTAÏQUE et de gaz extrêmement toxiques. La dernière partie est consacrée à des exemples d applications du photovoltaïque en sites isolés ou connectés à des réseaux, ainsi qu à l évolution du marché et des prix du kilowattheure photovoltaïque à l horizon µc-si a-si CIS Cz EMC FZ HIT mc-si MWc pc-si p-i-n pm-si p-n RCC Sc-Si Abréviations Silicium microcristallin Silicium amorphe Chalcogénures Tirage Czochralski Croissance électromagnétique Tirage par zone flottante Hétérostructure Silicium multicristallin Mégawatt crête, puissance mesurée à midi Silicium polycristallin Structure à zone intrinsèque Silicium polymorphe Structure à jonction plane Structure à contacts arrières Silicium monocristallin 1. Matériaux et filières technologiques Nous avons représenté sur la figure 1 les évolutions des rendements de conversion des meilleures cellules de laboratoire pour les différentes filières d élaboration de dispositifs photovoltaïques. La plus ancienne est la filière du silicium cristallin (Sc-Si), avec des premières cellules réalisées par Bel Lab. (USA) en 1954, en même temps que la réalisation des premières diodes et transistors. Elle reste toujours la voie la plus avancée sur le plan technologique et industriel. Pour les cellules à base de plaquettes en silicium cristallin, les rendements en laboratoire sont de 24,7 % et on atteint les limites théoriques du silicium. Pour les rendements sur de grandes surfaces, l avenir passe par une réduction drastique des coûts et une constante augmentation des rendements industriels au-delà des 16 à 17 % actuels. Les couches minces à base de silicium amorphe (a-si) et de cuivre-indium-sélénium (CIS) ont commencé à être étudiées dans les années 1970, avec une industrialisation trop rapide et décevante pour la première, et une progression du rendement de conversion plus prometteuse pour la seconde. Pour ces filières, les rendements industriels stagnent autour des 10 %. L objectif majeur reste l augmentation des rendements de conversion pour le silicium (amorphe, polymorphe, micro- et poly-cristallin) ainsi que pour les matériaux composés à base de chalcogénures (CIGS). Les filières à base de films minces de silicium polycristallin et à base de matériaux organiques sont encore au stade du laboratoire et peinent à obtenir des rendements à la hauteur des espérances (courbes d évolution escomptées pour les performances en trait plein ou pointillé sur la figure 1). En effet, pour les cellules à base de matériaux organiques, le rendement de conversion est de 3,5 % en début de vie. (0) Rendement (%) Si cristallin CIS Années Figure 1 Évolution des rendements des différentes filières de cellules photovoltaïques : à base de silicium cristallin, de couches minces (silicium amorphe, polycristallin et chalcogénures), de matériaux organiques et nouveaux concepts [1] a Si sur c Si 4 % Multi : mc Si 61,8 % Films minces Si a-si Ruban de Si 0,9 % CIS 0,5 % CdTe 0,4 % Figure 2 Illustration de la prépondérance des matériaux à base de silicium cristallin dans la production de cellules. Source AIE [2] Les cellules du futur, à base de matériaux nano-structurés, restent au niveau du concept, et une recherche fondamentale de base est encore nécessaire. 1.1 La filière silicium Organique a Si 3,4 % Nouv Mat µc Si sur c Si 1,8 % Mono c Si 26,9 % Comme près de 95 % des cellules sont à base de silicium cristallin (figure 2), nous donnons au lecteur un minimum de connaissance de ce matériau et de ses procédés de fabrication. Le silicium est l un des éléments les plus abondants sur terre, parfaitement stable et non toxique. À l avenir d autres matériaux contribueront à l enrichissement de la gamme des produits PV disponibles et stimuleront ce marché très prometteur. Aujourd hui ils sont au stade préindustriel, au niveau de la recherche ou même de la validation des concepts. Nous présenterons brièvement ces nouveaux matériaux. BE est strictement interdite. Editions T.I.

3 ÉLECTRICITÉ PHOTOVOLTAÏQUE Matière première de silicium À la base de toute l industrie électronique moderne, le silicium est obtenu par réduction de la silice dans un four électrique à arc à plus de 200 C. On obtient ainsi un matériau dit «métallurgique», dont la pureté est d environ 98 %. Ce produit est purifié par chlorination à 300 C, ce qui donne du silicium sous forme gazeuse (trichlorosilane ou silane). Après pyrolyse et réduction par de l hydrogène à C, le matériau obtenu est sous la forme d une poudre de haute pureté ; les traces d impuretés résiduelles sont inférieures au ppm. Il sert alors de produit de départ pour la croissance de lingots, qui sont utilisés dans les industries de la microélectronique et photovoltaïque. Cette matière première coûte de plus en plus chère en raison de la forte augmentation de la demande. De ce fait de grands groupes chimiques se préoccupent de développer un matériau de qualité solaire avec des techniques de purification simplifiées [3] Silicium monocristallin Il est possible d avoir des monocristaux par la méthode Czochralski (notée Cz), qui consiste à tirer un cristal parfaitement cristallin de 30 cm de diamètre, long de plus de 1 m, à partir d un germe plongé dans un bac de silicium fondu. Cependant, en partant de 1 kg de minerai de silice, on n obtient pas plus de 100 g de silicium monocristallin pour une dépense énergétique considérable, de l ordre du MWh. Le reste est perdu dans les différentes phases de purification. De plus, la moitié du cristal part en poussière au cours de la découpe en tranches de 300 µm d épaisseur. Le silicium ainsi obtenu est de type p, c est-à-dire dopé avec du bore, par apport de poudre. La concentration est comprise entre et atomes cm 3, de façon à présenter une résistivité de l ordre de 0,1 à 1 Ω cm. Ce choix résulte d un compromis entre une résistivité la plus faible possible et un dopage modéré afin d éviter la dégradation de la longueur de diffusion des porteurs photogénérés. Par la suite, on crée une barrière de potentiel nécessaire à la collecte des charges, c est-à-dire la structure émettrice des cellules photovoltaïques. Cette étape n est pas détaillée dans le cadre de cette présentation (figure 6 du dossier [BE 8 578]). Il existe une seconde méthode : on chauffe jusqu à la fusion une zone que l on déplace le long d un lingot. On récupère le silicium, ainsi purifié, et que l on nomme FZ. Avec les matériaux Cz et FZ, dits de la micro-électronique, il est possible d obtenir un rendement de conversion record en laboratoire : 24,7 % (Université de New South Walles, Australie [4]), soit supérieur de huit points à ceux de l industrie. L architecture de la cellule la plus performante au monde est représentée sur la figure Silicium polycristallin à gros grains, nommé silicium multicristallin Dans un polycristal, les monocristaux sont séparés les uns des autres par des zones perturbées, les joints de grains. Chaque cristal de plus petite dimension n a pas la même orientation que son voisin. On privilégie les techniques de croissance qui assurent la formation d une structure colonnaire avec de gros cristaux (dénommé silicium multicristallin, mc-si) afin de limiter les effets néfastes des joints de grains. Cette technique par solidification directionnelle a été initiée par Wacker dès 1975 [5]. Une variante de cette technologie de croissance, le procédé Polix [6] de Photowatt, est représentée sur les figures 4 et 5. Des blocs de plus de 250 kg sont ainsi obtenus par refroidissement contrôlé du silicium en fusion dans un moule de nature appropriée (souvent en quartz). Cette méthode est plus rapide et moins coûteuse en énergie qu une croissance d un lingot Cz ou FZ (24 à 48 h contre quelques semaines pour ces derniers). Afin de diminuer le bilan énergétique de la croissance de lingots de silicium, de nouveaux matériaux produits par coulée continue en creuset électromagnétique sont en cours d industrialisation au Japon et en France [7]. Cependant le matériau multicristallin est d une part contraint et disloqué, et d autre part contaminé par des impuretés résiduelles de la matière première de silicium. Cette dernière est en partie constituée par des rebuts de l industrie de la microélectronique, c est-à-dire de silicium monocristallin Cz ou FZ. Les rendements de conversion industriels, qui étaient de l ordre de 8 à 10 % avant 1980, sont actuellement de 16 à 17 % pour de grandes plaquettes de 12,5 12,5 ou cm 2. Ces progrès s expliquent par l amélioration constante de la qualité des matériaux et par l accroissement des connaissances de neutralisation des défauts et des impuretés résiduelles [8]. Actuellement, on sait parfaitement passiver les effets néfastes de la plupart des défauts cristallographiques. Par exemple, le dépôt par plasma d une couche de 70 nm de SiN (H) assure une diminution des pertes par réflexion (effet anti-reflet), et neutralise également des défauts de surface et de volume par l hydrogène. Les atomes d hydrogène se fixent sur les liaisons pendantes (ou brisées) du silicium. On peut également débarrasser partiellement les plaquettes de silicium de leurs impuretés métalliques résiduelles lors d un traitement thermique à haute température : par un effet de migration, les impuretés se déplacent vers des sites situés en dehors des zones actives, où elles sont piégées. Ce phénomène est plus connu sous sa dénomination anglaise : «getter» [9]. Double couche antireflets n + n Doigts Silicium de type p Pyramides inversées p + Spires radiofréquences (chauffage) Creuset en quartz Isolation Bain de silicium Isolation thermique amovible Support graphite Lingot solidifié p + Contact arrière Oxyde Oxyde mince (20 nm) p + 1 ère étape : fusion 2 e étape : cristallisation Figure 3 Structure de la cellule de laboratoire la plus performante. Source Photovoltaics Special Research Center UNSW [4] Figure 4 Principe de croissance par solidification directionnelle du type Polix [6] développé par Photowatt S.A. FR est strictement interdite. Editions T.I. BE

4 ÉLECTRICITÉ PHOTOVOLTAÏQUE Lingot cristallisé 20 kg Découpe des briques 20 cm Découpe des plaquettes (sciage à fil) 12,5 cm 12,5 cm Fabrication des cellules Assemblage des modules 160 cm 12,5 cm ~ 80 cm Figure 5 Principales étapes de fabrication du matériau, de la cellule et du module de la Sté Photowatt. S.A. FR Toutefois, le sciage de ces grands blocs reste une opération onéreuse, car elle conduit à une perte non négligeable de matière. L élaboration du silicium évolue vers des plaquettes ultra-minces (actuellement aux alentours de 200 µm chez Photowatt). La limitation mécanique des plaques due à leur manipulation se situe à environ 100 à 120 µm. L alternative consiste à générer des géométries différentes ne nécessitant aucune opération de découpe Silicium en ruban autosupporté Les techniques de production de silicium en rubans autosupportés ont été très séduisantes sur le plan technologique. La plus connue est basée sur l effet de la capilarité entre deux lèvres de carbone. Initié aux USA par Mobil-Tyco dans les années 1975 [10], ce procédé est actuellement le seul à être produit industriellement, en Allemagne par RWE Schott Solar. D autres méthodes utilisent des techniques de croissance de ruban sur un film ou une maille de carbone. Ces rubans ont connu de nombreux développements au niveau de la recherche et, pour certains d entre eux, jusqu à la conception de chaînes de production pré-industrielles. Un exemple de croissance de silicium en ruban est donné sur la figure 6. Cependant, la vitesse de croissance linéaire est lente, généralement de quelques cm/min à quelques dizaines de cm/min. Elle est imposée par les critères de solidification qui déterminent la taille des grains et la pureté du matériau par la ségrégation des impuretés. Ruban de silicium solidifié Lèvres en carbone Bain de silicium fondu Creuset en graphite Figure 6 Procédé EFG de tirage de rubans de silicium par capillarité à travers un gabarit de carbone [10] permettant l obtention de tubes octogonaux de silicium (avec un gabarit de forme octogonale). (Source RWE Schott Solar) 1.2 Silicium en couches minces La technologie en couches minces de silicium cristallin déposé sur un support consiste à apposer une couche mince de silicium polycristallin, de 10 à 40 µm d épaisseur, sur divers substrats de silicium métallurgique peu purifié, quartz, céramique ou métal. Les rendements de conversion sont du même ordre que ceux d une cellule sur un matériau massif, moyennant un confinement optique et un champ arrière répulsif pour les porteurs minoritaires. Du fait de la plus faible distance parcourue par les photons, on se contente d une pureté moindre pour le matériau de base. Toutefois, le point déterminant pour le développement de cette méthode est le coût de la matière première de silicium Silicium nanocristallin et amorphe Depuis les années 1970 (figure 1), des recherches intensives ont été entreprises pour utiliser du silicium non cristallisé, c est-à-dire à l état amorphe, dont les liaisons pendantes sont saturées par hydrogénation. Ce matériau présente trois avantages majeurs : un fort coefficient d absorption, qui autorise de très faibles épaisseurs de l ordre du micron et qui diminue ainsi le risque de pénurie de silicium ; une faible consommation énergétique durant le cycle de production avec un temps de retour énergétique inférieur à un an ; une aptitude à être déposé en grandes surfaces unitaires, de l ordre du mètre carré, d un seul tenant. Par contre, ses deux points faibles sont le rendement de conversion et la dégradation sous lumière (instabilité dite de Staebler- Wronski). Ils sont de mieux en mieux surmontés par des artifices technologiques tel que la superposition de deux structures p-i-n en «tandem», ou de trois couches actives très minces. On réduit ainsi la dégradation sous lumière de 30 % à près de 10 %. La structure la plus simple d une cellule en silicium amorphe (figure 7) se compose d une zone dopée d atomes de bore, intrinsèque et dopée d atomes de phosphore (p-i-n). Chaque élément peut être directement connecté en série sans besoin de liaisons externes. Comme les rendements industriels stagnent depuis des années sous la barre des 10 %, cette filière voit ses parts de marché diminuer. De ce fait, elle s oriente d avantage vers les petits systèmes dits «grand public». BE est strictement interdite. Editions T.I.

5 ÉLECTRICITÉ PHOTOVOLTAÏQUE Verre Conducteur transparent Couche p Couche i Couche n Métal Verre Figure 7 Cellule à base de silicium amorphe à structure p-i-n, et vue en coupe d un module (Source Solems) TCO p type a-si : H i type a-si : H i type a-si : H n type a-si : H TCO Silicium amorphe Lumière Connection des éléments Lumière Encapsulant Électrode n-type c-si : H Électrode Figure 8 Hétéro-structures à base de a-si/silicium cristallin (structure HIT de Sanyo) [11] Mariage de l amorphe et du cristallin SnO 2 a-si Al L avenir des couches de silicium amorphe passera, probablement, par un mariage avec le silicium cristallin. En effet, les hétéro-structures à base de a-si/silicium cristallin (structure HIT de Sanyo [15], figure 8) ont des rendements de laboratoire de plus de 21 % et de 16 % en production industrielle. Elles devancent actuellement les dispositifs à base de silicium amorphe à simple structure p-i-n (figure 2). 1.3 Autres matériaux en couches minces émergeants Les recherches intensives entreprises depuis de nombreuses années sur d autres matériaux que ceux à base de silicium aboutissent peu à peu au stade de l industrialisation. + ~10 nm ~200 µm ~20 nm Grille Ni / Al MgF 2 (0,1 µm) ZnO (0,5 µm) CdS (30 nm) Cu (In,Ga) Se 2 (2 µm) Mo (0,5 µm) Verre Figure 9 Vue en coupe d une cellule à base de CuInSe [12] Matériaux à base de tellurure de cadmium Jusqu à une date récente, il était admis que la filière à base de sulfure de cadmium et de tellure de cadmium (CdS-CdTe) représentait l une des approches les plus prometteuses pour le photovoltaïque terrestre. La valeur 1,45 ev de la bande d énergie interdite du CdTe est idéalement adaptée au spectre solaire. En outre, son très grand coefficient d absorption (figure 5 de l article [BE 8 578]) fait que la quasi totalité du spectre est absorbée sur une profondeur de 2 µm, autorisant ainsi l utilisation de matériaux relativement impurs, dont la longueur de diffusion des porteurs minoritaires ne dépasse pas quelques µm. Les résultats de rendement de conversion sont très encourageants : plus de 10 % sur une grande surface. Cependant, les problèmes d environnement associés à l utilisation du cadmium freinent les tentatives de développement de cette filière Matériaux à base de séléniure de cuivre indium (CIS) Avec un coefficient d absorption 100 à fois plus fort que celui du silicium cristallin (dans la gamme de 1.1 à 2.6 ev), le diséléniure de cuivre et d indium (CIS) est un matériau très prometteur. Ce composé de type I-III-VI, de structure chalcopyrite, a un rendement théorique de l hétérojonction (n)cds-(p)cuinse 2 qui se situe autour de 25 %. Les cellules à base de composés chalcopyrites quaternaires du type Cu(Ga,In)(Se,S) 2 ont récemment atteint des rendements de conversion record de 18,8 % en laboratoire. Malgré les difficultés connues pour maîtriser cette filière à grande échelle, un rendement de 12,8 % a été obtenu sur le plan industriel (figure 9). 1.4 Apparition de nouveaux matériaux et concepts Les films minces sont des outsiders sérieux, capables en principe de «pulvériser» les performances combinées de rendement et de coût du Si cristallin massif. Leur développement passe par un travail de recherche relativement long avant d envisager une industrialisation substantielle, probablement vers la fin du premier quart du 21 e siècle. On notera que les cellules de très haut rendement (silicium, composés III-V) ainsi que les systèmes à concentration restent des sujets intéressants, mais ils n offrent pas de débouchés substantiels en Europe. Quant aux cellules «exotiques», elles ont un intérêt du point de vue de la recherche fondamentale, mais les plus séduisantes d entre elles, les piles électrochimiques à base de TiO2 et de colorants (dite cellule de Grätzel [13]), ont peu de chance de déboucher à grande échelle tant qu elles comporteront un électrolyte liquide et présenteront certaines instabilités. Enfin, les cellules à base de matériaux organiques ne concerneront que des applications dans le domaine de dispositifs à bas coût jetables ou à usage éphémère, tant que leur durée de vie restera sous la barre des heures. + est strictement interdite. Editions T.I. BE

6 ÉLECTRICITÉ PHOTOVOLTAÏQUE Cellules multi-spectrales Un empilement infini de cellules, chacune étant adaptée à une longueur d onde, donnerait un rendement limite de 86,8 %, et un empilement de trois cellules offrirait déjà un rendement maximum de 63,8 % [14]. La réalité est tout autre : les meilleurs résultats expérimentaux sont de 36,9 % avec une structure triple du type InGaP/ GaAs/Ge [15] Composés organiques La production d énergie électrique utilisant des matériaux organiques semi-conducteurs reste un défi technologique majeur, en terme de rendement et de stabilité : les cellules sont stables sur 500 heures seulement. Si ces problèmes sont résolus, le coût de production de ces produits serait faible, et leur mise en forme relativement facile. Les enjeux économiques sont évidents et l utilisation de ce type de matériaux pour la préparation de dispositifs photovoltaïques plastiques est un thème de recherche en plein essor. Néanmoins, l efficacité de ces systèmes pour la conversion de l énergie lumineuse en énergie électrique reste pour le moment modeste. Longtemps détenu par l Université de Linz en Autriche [16], le record de rendement est de 3,5 % avec une stabilité ne dépassant pas 500 heures (figure 10). Il a été récemment porté à 5 % et 5,7 % par d autres équipes de recherches, sans précision sur la stabilité Apparition de nouveaux concepts De nouvelles voies exploratoires sont engagées : elles portent sur l intégration de nanocristallites (minéraux ou organiques) dans différentes couches fonctionnalisées pour convertir par luminescence les photons UV (trop énergétiques et peu efficaces pour la conversion photovoltaïque) en photons ayant une longueur d onde dans le domaine du spectre visible [17]. ITO : couche d'oxyde d'indium - étain hν (400 nm) Substrat de verre Al 2. Marché du photovoltaïque Après avoir gagné le marché des applications professionnelles en sites isolés et des services aux populations rurales des pays en développement, l électricité solaire a l espoir de s affirmer comme source complémentaire des sources d énergie électrique classiques partout dans le monde, avant le milieu de ce siècle. Elle contribuera alors d une façon non négligeable à la maîtrise de l effet de serre (accords de Kyoto signés en 1997). La production industrielle annuelle mondiale de modules photovoltaïques (figure 11) est en croissance quasi-exponentielle : environ 35 % de croissance en moyenne du marché par an durant les huit dernières années, avec un record de 66 % en Elle a atteint MWc en 2005 [2]. C est 20 fois plus de modules qu il y a 15 ans, et les prévisions à l horizon 2010 donnent une multiplication par cinq de la production. Malgré l immense chemin parcouru, l électricité solaire n a pas encore franchi le seuil lui permettant d être compétitive par rapport aux autres sources de production d électricité. L effort à apporter doit améliorer d un facteur trois aussi bien le coût du watt installé que le coût du kilowattheure produit. En 25 ans, le prix de revient du watt photovoltaïque a considérablement baissé : supérieur à 100 francs par watt en 1975, il est aujourd hui tombé aux environs de 2 par watt pour les modules PV. Le prix de vente du module photovoltaïque est de 2,6 par watt en 2005, est en baisse constante de 10 à 15 centimes d euro par watt et par an. Le coût d un système installé de l ordre de 3 kw (c est-àdire d environs 30 m 2 voir [BE 8 578]) connecté à un réseau est de 5 à 6 par watt et de 8 à 10 par watt pour un système en site isolé avec stockage par batteries. MWc Contact sur ITO Contact sur l'électrode d'aluminium Dérivés du fullerène C 60 Source : Université de Linz, Autriche C 12 H 25 O C 12 H 25 O Me N Années Reste du monde Japon USA Total Europe Figure 10 Vue en coupe d une cellule souple à base de matériaux organiques (Source Université de Linz, Autriche [16]) Figure 11 Évolution du marché mondial du photovoltaïque avec une période de faible puis de forte croissance (en 2004, la production a atteint MWc avec un taux record de croissance de 66 % et en 2005, MWc, en hausse moyenne de 30 à 35 % par an depuis 8 ans) [2] BE est strictement interdite. Editions T.I.

7 ÉLECTRICITÉ PHOTOVOLTAÏQUE 2.1 Les différents types de marché photovoltaïque La technologie du photovoltaïque ne s est développée que très lentement par la conquête progressive de niches de marchés dans les pays développés, à travers des applications professionnelles (bornes téléphoniques d appels d urgence, télédétection, alarme, balisage et surtout relais de télécommunication). Les profits réalisés sur les premières niches ont permis de développer, au fur et à mesure, des marchés plus vastes. Avec la croissance d avant les années 1998 (figure 11), il aurait fallu attendre 25 ans pour que la production mondiale annuelle atteigne MW/an, soit l équivalent de 0,005 % de la consommation mondiale d énergie primaire prévue pour cette époque. Autrement dit, la conversion photovoltaïque de l énergie solaire serait restée un gadget ou, au mieux, une source énergétique pour les sites isolés. Des actions politiques d envergure étaient donc nécessaires et attendues. Elles sont venues de l Allemagne, puis du Japon et plus récemment de l Union Européenne à travers des programmes volontaristes qui ont dynamisé la recherche et l industrie photovoltaïque. On assiste actuellement à de nombreuses expérimentations de systèmes intégrés à l architecture et à une diffusion massive d installations privées connectées au réseau (programme du NEDO) comme le programme de toits PV en Allemagne et de toits PV connectés au réseau au Japon. Les applications du photovoltaïque couvrent tous les types de demandes énergétiques. Les premiers marchés pour les pays développés sont les sites isolés, comme l alimentation en électricité des relais de communications, des balises, des dispositifs de sécurité et autres systèmes par le biais d un stockage sur batteries (figure 12). Ils représentent actuellement près de 20 % des parts du marché du PV. Les besoins des pays en voie de développement ne représentent que 15 % du marché et ils concernent le pompage de l eau, l éclairage, la réfrigération,... (figure 13). Soutenus par des programmes d aide de la Banque Mondiale, des ONG..., ils font également partie des applications pionnières. Depuis une dizaine d années, on assiste à l émergence d un nouveau marché pour les pays développés : la production décentralisée d électricité. Elle est devenue en quelques années le secteur prépondérant, avec 60 % des parts du marché, essentiellement sous forme de toits photovoltaïque connectés aux réseaux (figure 14), plutôt que sous la forme de centrales électriques (figure 15). Stations de pompage Figure 13 Exemples d applications pionnières en site isolé du photovoltaïque Figure 14 Exemple de toits photovoltaïques connectés au réseau dans une banlieue d Amsterdam pour une production décentralisée d électricité Centrale de Tolède Puissance fournie : 1 MW Dispensaire Centrale de Californie Puissance fournie : 8 MW Sécurité Balise Figure 15 Exemples de production d électricité photovoltaïque centralisée 2.2 Installations cumulées : forte prédominance de la production d électricité connectée au réseau Figure 12 Exemples d applications du photovoltaïque en site isolé Si le photovoltaïque veut représenter un jour une part significative de la production d électricité en Europe, celle-ci devra se faire, à l instar de la révolution de la micro-informatique, à partir d une multitude de «producteurs - consommateurs» privés diffus, mais reliés aux réseaux existants, plutôt que par des centrales solaires de grandes tailles. En effet, le photovoltaïque est avant tout une source énergétique décentralisée et disponible à la porte de chacun. est strictement interdite. Editions T.I. BE

8 ÉLECTRICITÉ PHOTOVOLTAÏQUE Selon les estimations les plus récentes de l Agence internationale de l énergie (AIE) [2], la moitié de la puissance effectivement installée est produite au Japon (1 200 MWc), un tiers en Allemagne (800 MWc), 15 % aux États-Unis (350 MWc), et le reste par les autres pays du monde, dont la France (20 MWc). La position de l Hexagone s explique par le retard pris dans le secteur du «connecté au réseau» du fait de l engagement prolongé dans la voie des applications en sites isolés. Le centre névralgique de la production mondiale de modules photovoltaïques se situe dorénavant dans la région d Osaka, avec les sociétés du silicium cristallin Sharp, Kyocera, Sanyo, Mitsubishi et la société du silicium amorphe Kaneka. Les capacités de production sont considérables [18] : le leader mondial Sharp a produit près de 500 MWc en 2005, Kyocera 160 MW et Q-cell en Allemagne 200 MW. Ce dernier annonce un doublement de la production pour Notre producteur national Photowatt rétrograde sans cesse dans le classement, faute de marché en France. Il est actuellement aux alentours de la 10 e place, au coude à coude avec une entreprise taïwanaise et chinoise. Dans le domaine des grandes centrales photovoltaïques, les États-Unis démarrèrent les premiers dès les années 1985 avec de centrales de 1 à 6 MWc, en Californie. Ils ont été suivis par l Italie et par l Espagne avec l aide de la Communauté Européenne. Une douzaine de centrales de 100 kw à 3 MWc ont été connectées au réseau européen au cours des 10 dernières années. La première centrale française de 100 kw a été inaugurée en mai 2005, à Chambéry. 2.3 Adaptation du produit au marché La production industrielle annuelle mondiale de modules photovoltaïques a été de plus de MWc en Elle est sur le bon chemin avec une progression de la production mondiale de modules qui devrait rester, selon l association européenne des industries photovoltaïques (EPIA) [19], sur la pente des 30 % par an jusqu en 2015, puis passer à un rythme un peu moins soutenu de 25 % par an. Avec ces estimations, nous devrions atteindre une production de modules PV en 2030 de 300 GWc par an, c est-à-dire l équivalent en puissance de 300 réacteurs nucléaires de MW et de 36 réacteurs au moins en production d énergie sur l année (environ heures de fonctionnement par an pour le PV et plus de h pour le nucléaire). En ce qui concerne le coût du kwh produit, il est estimé, pour l année 2000, entre 30 centimes d euro pour l Europe du Sud et 60 centimes pour l Europe du Nord [20]. On n est plus très loin de l intersection avec le coût plafond du kwh de pointe pour l Europe du Sud, et d ici 2020 pour l Europe du Nord. Pour être compétitif avec le coût du kwh nucléaire à 3 centimes d euros, il faudra attendre les années (figure 16). 3. Perspectives d avenir du photovoltaïque Afin de rester compétitifs dans les vingt ans à venir, les matériaux à base de silicium cristallin évoluent sans cesse (pour plus de détail se référer à l ouvrage [21]) vers : soit des substrats de plus en plus minces ou obtenus par coulée continue ; soit des films minces de Si cristallisés sur des substrats étrangers ou transférés par pelage sur un verre ou un plastique. Pour l horizon 2025, la plupart des experts entrevoient une percée significative de la production industrielle des films minces. Il s ensuivra un élargissement de la gamme des produits PV, avec /kwh 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 900 h/a: 0,60 /kwh Années Coût de l'électricité Photovoltaïque 1800 h/a: 0,30 /kwh Du réseau en pointe Du réseau de base Figure 16 Évolution prévisible du prix du kwh PV jusqu en 2040 selon l étude d EPIA pour PV Track [19] l émergence de nouveaux concepts de cellules à base de matériaux polymères ou de colorants. Actuellement, ces dernières présentent respectivement des rendements en laboratoire de 3 à 10 %, avec encore des problèmes de stabilité. À l inverse, d autres experts, dont le professeur T. Saitoh pionnier du silicium cristallin au Japon, présentent la filière à base de silicium cristallin comme «éternelle». Le développement des billes de silicium, de 0,6 mm de diamètre imprimées sur un substrat souple d aluminium (Sté SSP de Photowatt Int., Canada), ainsi que les potentialités des matériaux nano- ou micro-cristallins sont des bons exemples des capacités du silicium à rebondir dès l émergence de technologies concurrentes. Le marché mondial est en plein essor et le cumul des installations devient important. Au point que la part de l électricité photovoltaïque dans la production mondiale sort du bruit de fond : 0,03 % de la production mondiale en La part d électricité produite en sites isolés d une part (habitat isolé, pompage de l eau, balises maritimes, relais téléphoniques) et en sites connectés au réseau d autre part (centrales et surtout toits photovoltaïques) ne cessent de croître. À l horizon 2020, le photovoltaïque pourrait représenter prés de 1 % de la consommation mondiale d électricité et plus de 14 % à l horizon Sa part devrait également dépasser les prévisions de production d électricité d origine nucléaire. On peut donc espérer que le photovoltaïque participera d une façon non négligeable à la réduction des gaz à effet de serre (figure 17). Rappelons que la convention des Nations-Unis sur les changements climatiques imposera pour les pays industrialisés, pour le milieu de ce siècle, une réduction par quatre des émissions de CO 2. BE est strictement interdite. Editions T.I.

9 ÉLECTRICITÉ PHOTOVOLTAÏQUE 54% TWh 19% 20% 26% 38% Années Hydroélect. Géothermie Petite Hydro. Solaire therm. Biomase Energ. marine Eolienne Energ. fossiles PV Figure 17 Évolution prévisible de la part des EnR (et du PV en jaune) selon une étude d EUREC [20] Références bibliographiques [1] GOETZBERGER (A.), LUTHER (J.) et WILLEKE (G.). Proc. 12 th Int l PVSEC Conf, Jeju, Korea, p. 5 (2001). [2] World Energy Outlook. IEA Annual Report (2005&2006). [3] WEIDHAUS (D.), SCHINDLBECK (E.) et HESSE (K.). Trichlorosilane based silicon feedstock for the photovoltaic industry. Silicon for the Chemical Industry VII. Norway Eds. (2004). [4] GREEN (M.A.), WANG (A.), ZHENG (G.F.), ZHANG (Z.), WENHAM (S.R.), ZHAO (J.), SHI (Z.) et HONSBERG (C.B.). Proc. 12 th EC PVSEC Amsterdam, p. 776 (1994). [5] AUTHIER (B.H.). German Patent (DOS), No (1975). [6] FALLY (J.), GUIGNOT (D.) et GOEFFRON (L.). Proc. 7th EC PV SEC, Sevilla, p. 754 (1986). [7] KANEKO (K.), MISAWA (T.) et TABATA (K.). Proc. 21rst IEEE PVSC Kissimmee, p. 674 (1981). [8] ROHATGI (A.), YELUNDUR (V.), JEONG (J.), RISTOW (A.) et EBONG (A.). 10th Workshop on crystalline Silicon Solar Cell Materials and Process (CO), p. 12 (August 2000). [9] MULLER (J.C.) et MARTINUZZI (S.). Journal of Material Research V 13, (1998). [10] RAVI (K.V.) et al. Proc. 11 th IEEE PVSC Scottsdale (Arizona), p. 280 (1975). [11] TAGUCHI (M.) et al. HIT Cells-High Efficiency crystalline Si cells with Novel Structure. Prog. Photovolt : Res. Appl., 8, 503 (2000). [12] GUILLEMOLES (J.F.) et al. ADEME-CNRS Annual Seminar on PV materials and processes. Sophia-Antipolis, p. 45 (2003). [13] O REGAN (B.) et GRÄTZEL. A low cost, high efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. Nature, 353 (1991). [14] MARTI et al. Sol. E. mat. Sol. C 43, p. 203 (1996). [15] Spectra Lab. PV Solar Energy Conversion. Proc. 3 rd World Conf., Osaka (Japan) (2003). [16] SHAHEEN (S.E.), BRABEC (C.J.), SARICIFTCI (N.S.), PADINGER (F.), FROMHERZ (T.) et HUMMELEN (J.-C.). Appl. Phys. Lett. 78, (2001). [17] VRCEK (V.), SLAOUI (A.) et MULLER (J.-C.). Silicon nanocrystals as light converter for solar cells, Thin-Solid-Films , (2004). [18] La Lettre du Solaire. CYTHELIA (Avril 05). [19] Présentation de l étude du Groupe «PV Track» avec les industriels d EPIA A Vision for PV Technology up to 2030 and beyond EC Meeting: Future Vision of PV, Brussels, 28 Sept. (2004). [20] Étude prospective effectuée par Eurec Agency. BE-1040 Bruxelles (2004). [21] MULLER (J.-C.) et SIFFERT (P.). Silicon for Photovoltaics, in Silicon : Evolution and Future of a Technology, Eds by P. Siffert & E. Krimmel, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, pp (2004). est strictement interdite. Editions T.I. BE