1. Le problème énergétique et l énergie solaire 1.1 Le problème en quelques chiffres 1.2 L énergie solaire 2. Physique d une cellule PV 2.

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Marie-Claire Larouche
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1 1. Le problème énergétique et l énergie solaire 1.1 Le problème en quelques chiffres 1.2 L énergie solaire 2. Physique d une cellule PV 2.1 Jonction PN, courbe I-V 2.2 Limite d efficacité 3. Technologies PV 1. Silicium cristallin 2. Couche minces 1. a-si:h 2. CdTe 3. CIGS 3. PV organique (OPV) 4. PV et développement durable marc.jobin@hesge.ch

2 Limite d efficacité 3. Technologies PV 1. Silicium cristallin 2. Couche minces 1.

Unité d énergie : Joule (J) ; 1GJ=10 9 J. 1 tep (1 tonne équivalent pétrole)= 41.86 GJ 1kWh=1000(J/sec) x 3600(sec) =3.6 MJ 1 Mtep (1 million de tep) = 11.

2 Unité d énergie : Joule (J) ; 1GJ=10 9 J. 1 tep (1 tonne équivalent pétrole)= GJ 1kWh=1000(J/sec) x 3600(sec) =3.6 MJ 1 Mtep (1 million de tep) = 11.6 TWhr Production mondiale d énergie en 2008:. Production (énergie primaire) 2008 : 12'267 Mtep Renouvelable 0.7% Electricité (nucl. + hydro) 8% Biomasse 10% Pétrole 33.2% Charbon 27% Gas 21.1%

6 TWhr Production mondiale d énergie en 2008:.

Evolution de la demande mondiale: Projection pour 2030 : Production d énergie primaire Scénario de référence Scénario avec incitation politique forte

aura potentiellement accès à l énergie (les pays riches, eux, vont probablement baisser/stabiliser leur consommation par habitant et leur nombre d

3 Evolution de la demande mondiale: Projection pour 2030 : Production d énergie primaire Scénario de référence Scénario avec incitation politique forte Projection pour 2050 (pic supposé de la crise énergétique) : Mtep Nouvelle demande vient essentiellement de l accroissement de la population qui aura potentiellement accès à l énergie (les pays riches, eux, vont probablement baisser/stabiliser leur consommation par habitant et leur nombre d habitant). Pb énergétique : si on ne produit pas plus, les prix de marché des énergies (pétrole, électricité) va fortement progresser, réduisant le niveau de vie général

4 il faut donc évaluer chaque source d énergie quant à : son potentiel de croissance de production son coût de production sa capacité de stockage et de transport (sa capacité à être mise sur le marché) sa réponses aux attentes sociétales Demande sociétale en matière d énergie : respectueux de l environnement : pollution (pétrole, charbon), émission CO 2, bruit sûr : accident des centrales nucléaires (radioactivité) indépendance et coût d approvisionnement des matières premières : pétrole, uranium

sociétale en matière d énergie : respectueux de l environnement : pollution (pétrole, charbon), émission CO 2, bruit sûr :

5 Spectre solaire AM0 (en dehors de l atmosphère) AM1.5 : à travers l atmosphère sous un angle de 48 (1.5 =1/cos48 ) E=hc/ l Spectre intégré AM1.5: 1000W/m 2 En moyenne, on reçoit typiquement 200 W/m 2 Très largement suffisant pour couvrir les besoins énergétiques. Un fait, il suffirait d une très faible surface de panneau PV (avec les performances actuelles) pour satisfaire les besoins (surfaces en noir dans le dessin)

5: 1000W/m 2 En moyenne, on reçoit typiquement 200 W/m 2 Très largement suffisant pour couvrir les

6 Energie solaire reçue en Europe W/m 2

Solaire passif : conception du bâtiment (éclairage, chauffage, climatisation) Photo-thermique : énergie photons énergie thermique (capteur solaire) chauffage d un

à haute température Turbine vapeur électricité Photovoltaïque : énergie photon énergie électrique (panneau PV) Ex de four solaire à concentration (embarqué :

7 Solaire passif : conception du bâtiment (éclairage, chauffage, climatisation) Photo-thermique : énergie photons énergie thermique (capteur solaire) chauffage d un liquide calorifique Basse température, typiquement 60 C Chauffe-eau solaire Chauffe-eau solaire, bâtiment Photothermodynamique : Concentrateur chauffage d un liquide à haute température Turbine vapeur électricité Photovoltaïque : énergie photon énergie électrique (panneau PV) Ex de four solaire à concentration (embarqué : calculatrice, montre,..) Résidentiel : toit des maisons individuelles Industriel : toit (plat) des bâtiments industriels Centrale solaire : champ de panneaux PV EdiSun, Colorado

8 Cellule solaire (15cm x 15 cm) Module solaire Panneau solaire Grandeurs typique (PV Si cristallin) Tension : 1 cellule : 0.6V, assemblées en série pour avoir 40 V Courant : 1 cellule : 30 ma/cm 2 assemblé en parallèle pour avoir 5 A Puissance : 200Wc Rendement : 18% (énergie électrique produite / énergie des photons ) Centrale solaire : Puissance 100 MWc (instantané) Energie : 100 GWhr annuelle ( ménages) Puissance : 10 MW annuelle (10 éoliennes, 1/40 Gde Dixence, 1/100 Gosgen)

: 200Wc Rendement : 18% (énergie électrique produite / énergie des photons ) Centrale solaire : Puissance 100 MWc

Système PV : autonome : utilisation direct, sans stockage ni transformation (DC) Ex : ventilateur, pompe solaire (pays chauds) autonome avec batterie : permet de lisser la consommation sur la

9 Système PV : autonome : utilisation direct, sans stockage ni transformation (DC) Ex : ventilateur, pompe solaire (pays chauds) autonome avec batterie : permet de lisser la consommation sur la production autonome hybride : couplé à une autre source d électricité (ex : groupe électrogène) pour assurer une disponibilité constante. connecté : connecté au réseau, qui fait office de batterie «infinie». Dans ce cas, il est inutile de stocker ; on envoie sur le réseau tout ce qui est produit et on consomme depuis le réseau ce dont on a besoin. DC /AC : Gros potentiel d amélioration en exploitant directement la tension DC de la cellule.

disponibilité constante. connecté : connecté au réseau, qui fait office de batterie «infinie».

10 Rentabilité et parité du réseau CHF/kWh In fine, on s intéresse au prix du kwh (MJ) produit par l installation PV sur l ensemble de sa durée de vie. Prix complet : production des composants (panneaux, ), installation, fonctionnement, démantèlement et recyclage. Les 3 paramètres sont donc : Le prix de l installation (en particulier des panneaux) Le rendement du panneau La durée de vie de l installation On atteint la parité du réseau «Grid parity» : lorsque le coût du kwh produit par PV = coût du kwh vendu au particulier (coût du réseau). dépend donc aussi du prix de l électricité local et de l ensoleillement

Les 3 paramètres sont donc : Le prix de l installation (en particulier des panneaux) Le rendement du panneau La durée de vie de l installation On atteint

11 le grand boom Installés en Europe mais produits en Chine

12 % de l électricité est produite par du photovoltaïque : 0.1% aujourd hui 5% prévu pour % pour 2050 Taux de croissance annuel du photovoltaïque (typiquement) : 40% Le photovoltaïque est massivement connecté au réseau :

de croissance annuel du photovoltaïque (typiquement) :

13 dopé bore dopé phosphore et les trous ici le champ E pousse les électrons ici! : ne veut pas dire que le photon doit nécessairement être absorbé à la jonction ; les charges peuvent diffuser (plusieurs dizaines de microns) et elles sont séparées à la jonction : jonction p-i-n

Intensité énergie solaire (W/m 2 ev) Efficacité de conversion du photon E ph <E g : pas d absorption E ph <E g : perte par thermalisation Eg Energie du photon

14 Intensité énergie solaire (W/m 2 ev) Efficacité de conversion du photon E ph <E g : pas d absorption E ph <E g : perte par thermalisation Eg Energie du photon (ev) Limite théorique (Schockley Queisser) : 33.7 % (on s y approche en laboratoire). Pour aller au-delà : avoir plusieurs band gap (cellules multi jonction).

(ev) Limite théorique (Schockley Queisser) : 33.

15 Cellules à plusieurs bandes interdites : MAIS : comme les cellules sont en série, le courant est celui de la cellule la moins performante solution chère Cellule tandem 2 cellules superposées

18 85% des systèmes installés Jonction p-i-n ; Band gap : 1.1 ev Epaisseur typique : 180um Le silicium cristallin absorbe peut la lumière nécessaire d avoir des épaisseur importante Etat de l art : Structure PERL (h=25%) Couche anti reflet Microstructure en pyramides pour encore réduire les pertes par réflexion On distingue les cellules en silicium monocristallin (sc-si) : rendement 14%-20% multicristallin (mc-si) : rendement 13%-15% Rendement des panneaux : 15-18%

importante Etat de l art : Structure PERL (h=25%) Couche anti reflet Microstructure en pyramides pour encore réduire

19 15% des systèmes installés Silicium amorphe hydrogéné Dépôt par plasma ( gaz de silane SiH 4 ) Epaisseur typique : um Band gap : 1.7 ev typiquement En changeant simplement les propriétés du gaz et du plasma, on peut facilement changer - la structure : nc/mc - le band gap en dopant le matériau ; il suffit d ajouter soit du B 2 H 6 dopage p soit su PH 3 dopage n On étend facilement le domaine d absorption. cellules à jonction multiples Rendement : 8-10%

7 ev typiquement En changeant simplement les propriétés du gaz et du plasma, on peut facilement changer - la

production très bas Electrodéposition Problème : toxicité du Cd Cu(In,Ga)Se 2 Epaisseur : 2um,

20 Band gap «ideal» : 1.45eV Hétéro jonction CdTe(p)-CdS(n) Epaisseur : 2um (pour absorber toute la lumière) Prix de production très bas Electrodéposition Problème : toxicité du Cd Cu(In,Ga)Se 2 Epaisseur : 2um, déposé par coévaporation Rapport In/Ga permet de varier le band gap de 1eV à 1.7 ev Cellule multijonction à bas prix Problème : disponibilité de In Rendement : 10-12% Rendement : 14-16%

21 Polymères type p (absorbeur) P3HT Molécule (n) transporteur è à base de C60 : PCBM Hétérojonction bulk Production «roll to roll»

22 OPV à hepia

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