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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Editions T .I. BE 8 579 − 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) 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 dispo- sitif photovoltaïque et son usage en tant que générateur de courant. En conclusion, une application pratique donne une évaluation rapide du dimension- nement 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 éner- gie et qui ont des répercussions sur l’environnement : si la cellule photovoltaï- que 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 1. Matériaux et ﬁlières technologiques.................................................. BE 8 579 – 2 1.1 La ﬁlière silicium.......................................................................................... — 2 1.1.1 Matière première de silicium............................................................. — 3 1.1.2 Silicium monocristallin ...................................................................... — 3 1.1.3 Silicium polycristallin à gros grains, nommé silicium multicristallin ...................................................................................... — 3 1.1.4 Silicium en ruban autosupporté........................................................ — 4 1.2 Silicium en couches minces........................................................................ — 4 1.2.1 Silicium nanocristallin et amorphe ................................................... — 4 1.2.2 Mariage de l’amorphe et du cristallin............................................... — 5 1.3 Autres matériaux en couches minces émergeants................................... — 5 1.3.1 Matériaux à base de tellurure de cadmium...................................... — 5 1.3.2 Matériaux à base de séléniure de cuivre indium (CIS).................... — 5 1.4 Apparition de nouveaux matériaux et concepts....................................... — 5 1.4.1 Cellules multi-spectrales.................................................................... — 6 1.4.2 Composés organiques ....................................................................... — 6 1.4.3 Apparition de nouveaux concepts .................................................... — 6 2. Marché du photovoltaïque..................................................................... — 6 2.1 Les différents types de marché photovoltaïque........................................ — 7 2.2 Installations cumulées : forte prédominance de la production d’électricité connectée au réseau............................................................... — 7 2.3 Adaptation du produit au marché .............................................................. — 8 3. Perspectives d’avenir du photovoltaïque.......................................... — 8 Références bibliographiques ......................................................................... — 9 A ÉLECTRICITÉ PHOTOVOLTAÏQUE ___________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie BE 8 579 − 2 est strictement interdite. − © Editions T .I. 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 photo- voltaïque à l’horizon 2040. (0) 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 différen- tes 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 cel- lules à base de plaquettes en silicium cristallin, les rendements en labo- ratoire 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 ren- dements industriels au-delà des 16 à 17 % actuels. Les couches minces à base de silicium amorphe (a-Si) et de cui- vre-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’aug- mentation des rendements de conversion pour le silicium (amor- phe, 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. 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 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, par- faitement stable et non toxique. À l’avenir d’autres matériaux contribueront à l’enrichissement de la gamme des produits PV dis- ponibles 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 nou- veaux matériaux. Abréviations µc-Si Silicium microcristallin a-Si Silicium amorphe CIS Chalcogénures Cz Tirage Czochralski EMC Croissance électromagnétique FZ Tirage par zone flottante HIT Hétérostructure mc-Si Silicium multicristallin MWc Mégawatt crête, puissance mesurée à midi pc-Si Silicium polycristallin p-i-n Structure à zone intrinsèque pm-Si Silicium polymorphe p-n Structure à jonction plane RCC Structure à contacts arrières Sc-Si Silicium monocristallin 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] Figure 2 – Illustration de la prépondérance des matériaux à base de silicium cristallin dans la production de cellules. Source AIE [2] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060 Rendement (%) Si cristallin CIS a-Si Organique Nouv Mat Années Films minces Si Mono c – Si 26,9 % a – Si 3,4 % a – Si sur c – Si 4 % CdTe 0,4 % CIS 0,5 % Ruban de Si 0,9 % Multi : mc – Si 61,8 % µc – Si sur c – Si 1,8 % Ce document a été délivré pour le compte de 7200082905 - bibliotheque universitaire // 195.83.66.24 Ce document a été délivré pour le compte de 7200082905 - bibliotheque universitaire // 195.83.66.24 tiwekacontentpdf_be8579 __________________________________________________________________________________________________________ ÉLECTRICITÉ PHOTOVOLTAÏQUE Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Editions T .I. BE 8 579 − 3 1.1.1 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 1 100 ˚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 pho- tovoltaïque. 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]. 1.1.2 Silicium monocristallin Il est possible d’avoir des monocristaux par la méthode Czo- chralski (notée Cz), qui consiste à tirer un cristal parfaitement cristal- lin 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 1016 et 1017 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 pos- sible et un dopage modéré aﬁn d’éviter la dégradation de la longueur de diffusion des porteurs photogénérés. Par la uploads/Industriel/ be-8-579-electricite-photovoltaique-filieres-et-marche-10-janv-2007-pdf.pdf