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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Cinquième partie. Les énergies renouvelables

21. Photovoltaïque à très haut rendement de conversion

Jean-François Guillemoles

Texte intégral

1Les rendements du photovoltaïque (PV), compris entre 10 et 20 % pour des dispositifs commerciaux, peuvent donner l’impression que cette énergie n’est pas très efficace. Mais en réalité ils produisent une énergie dont le coût se rapproche rapidement de celui des autres énergies.

2Pour les technologies PV utilisant comme matériau actif le silicium cristallin (c-Si), l’efficacité, comprise comme l’énergie produite intégrée sur la durée de vie du composant (vingt ans), est de 10 000 Wh/g (cette efficacité est au moins cent fois supérieure pour les filières couches minces, qui utilisent des matériaux technologiquement moins matures que le silicium mais dont les coefficients d’absorption sont bien meilleurs – ce qui permet d’en utiliser une bien plus faible quantité pour capter le spectre solaire). Par contre, si l’on prend en compte les structures mécaniques, verre, aluminium ou acier des systèmes, sur toute la durée de vie du composant mais sans tenir compte du recyclage, elle tombe à seulement 200 Wh/g, toutes filières confondues.

3Pour l’électricité produite à partir de chaleur haute température (en général en utilisant des générateurs de vapeur), et quelle qu’en soit l’origine, fossile ou renouvelable, la puissance générée est proportionnelle au volume alors que les pertes sont proportionnelles à la surface. Pour le photovol taïque, c’est quasiment l’inverse : le gain se fait par la surface de captage, et l’essentiel de pertes de recombinaison de charges se fait dans le volume du matériau actif – ce qui permet d’envisager des densités de puissance beaucoup plus importantes. Une cellule solaire peut atteindre les 100 kW/cm3 (pour des cellules solaires en couches minces sous une concentration de 1 000 Soleils, dans des systèmes commerciaux par exemple), ce qui permet d’envisager des générateurs électriques ayant une très faible empreinte environnementale pour leur fabrication, en particulier si l’on s’intéresse au problème du déploiement et à la rareté possible de certains éléments technologiquement critiques, comme par exemple l’indium ou les terres rares. À noter que l’énergie grise (énergie nécessaire à la fabrication) des capteurs photovoltaïques représente 5 à 10 % de l’énergie qu’ils délivreront dans des conditions moyennes d’utilisation. Un panneau reçoit de 800 à 1 300 kWh/m2 (moyennes annuelles à Lille et à Nice avec des capteurs plans fixes orientés de manière optimale).

Enjeux du rendement de conversion

4Bien que le coût de production de l’électricité solaire ait chuté fortement depuis 2008, il s’agit encore d’une énergie renouvelable significativement plus chère que d’autres alternatives utilisant des ressources fossiles. De plus, la ressource n’est pas tout à fait gratuite : il faut de la place pour collecter l’énergie (il peut occasionnellement y avoir conflit pour l’usage de l’espace, et cet espace a un coût), de la surface de capteurs et des équipements électroniques pour convertir l’énergie électrique en sortie de module en électricité utilisable (onduleurs, etc.). Pour des questions de coût, d’empreinte écologique et de conflits d’usage (surfaces, matières premières), augmenter les rendements de conversion est encore une idée fondamentale. Ces limites dépendent à la fois du spectre incident et de son intensité, mais aussi de la température de fonctionnement du convertisseur. Les convertisseurs photovoltaïques sont à la croisée de la thermodynamique classique qui régit la conversion d’énergie et de la mécanique quantique, puisque l’on sait depuis un peu plus d’un siècle que la lumière est composée de paquets d’énergie discrets, les photons (cf. II.5).

5Si l’on se réfère au rendement de Carnot, le rendement maximum de conversion de l’énergie solaire est très élevé (~ 95 %). Mais si l’on prend en compte les effets quantiques, le rendement limite diminue, tout en restant très respectable (~ 87 %). Les cellules solaires ordinaires sont encore très loin de cet optimum. Cela aussi est dû au caractère quantique des photons (et des électrons*). Les cellules ordinaires, utilisant des semi-conducteurs sous forme de jonctions p/n (cf. II.6), ne peuvent en effet utiliser que les photons absorbés par le semi-conducteur*, qui doivent avoir une énergie suffisante pour déclencher la transition d’un électron d’un niveau bas en énergie vers un niveau plus élevé (cf. II.6). Mais elles ne peuvent utiliser qu’une partie de l’énergie de ces photons, car la fraction d’énergie supérieure au seuil d’absorption est perdue en chaleur. Enfin, une fraction des excitations électroniques photo-induites se perd inévitablement avant d’être collectée par les électrodes. Au final, le spectre solaire comportant des photons d’énergies très diverses, on ne peut espérer récupérer guère plus de 30 % de l’énergie incidente dans des conditions standards, même avec le meilleur semi-conducteur du monde. Pourtant, une cellule solaire illuminée avec un rayonnement de même intensité mais monochromatique et d’énergie légèrement inférieure au seuil d’absorption peut convertir plus de 50 % de l’énergie incidente.

État de l’art et perspectives

6Aujourd’hui, les meilleures technologies basées sur le principe de la jonction p/n ont des rendements de conversion proches de 29 % (c’est-à-dire tout près de la limite théorique de ce type de dispositifs !). On peut faire mieux en utilisant des systèmes multijonctions*, c’est-à-dire pour lesquels le spectre solaire est partitionné en domaines spectraux comportant à peu près le même nombre de photons (cf. II-6). Chaque domaine spectral est converti par une cellule solaire optimisée pour une région spectrale particulière de façon à limiter la fraction d’énergie dissipée en chaleur. Une autre voie d’amélioration consiste à concentrer le flux solaire pour avoir des processus de conversion plus efficace : le rendement limite de chaque cellule augmente si elle reçoit une illumination plus forte (un peu comme si les mécanismes de perte pouvaient être « saturés » sous forte illumination). Les meilleures cellules solaires actuelles à triple jonction ont des rendements de 36 % sous illumination standard et de plus de 44 % sous forte concentration (1 000 Soleils).

La surface grisée représente le flux d’énergie solaire par intervalle de longueur d’onde. La surface en rouge à gauche en donne la fraction convertie par une photopile au Silicium. À droite, la même chose pour une triple jonction GaInP/GaAs/Ge. Dans ce dernier cas, la fraction du spectre solaire convertie est bien plus importante

7Quand on analyse les progrès récents, on voit que les améliorations de rendement de cette filière tiennent à peu près autant de l’amélioration des techniques de fabrication des composants que de la capacité à les faire fonctionner sous une concentration solaire toujours plus grande. Dans les trois à cinq ans à venir, les cellules multijonctions pourraient se rapprocher des 50 % de rendement, au moins en laboratoire, en jouant à la fois sur le nombre de semi-conducteurs et sur la concentration utilisée. Ces systèmes risquent de croître fortement en complexité et donc d’être difficilement utilisables à grande échelle.

8Par ailleurs, il existe plusieurs phénomènes physiques exploitables qui pourraient permettre d’augmenter le rendement de conversion en s’éloignant des dispositifs à semi-conducteurs classiques. Par exemple, la possibilité de combiner des photons infrarouges pour produire des photons visibles, possible avec une efficacité intéressante dans des fluorures dopés aux terres rares, permet d’envisager de nouvelles architectures dans lesquelles un convertisseur optique « adapte » le spectre solaire incident à l’optimum de conversion d’une cellule solaire classique. On peut encore imaginer de récupérer l’excédent d’énergie apporté par les photons. Dans un futur plus ou moins éloigné, nous saurons probablement fabriquer des cellules solaires fiables ayant un rendement à 80 % de la limite théorique, donc à plus de 60 % de rendement de conversion, utilisant des quantités de matériaux actifs très faibles (des densités supérieures à 10 MW/cm3 sont en principe atteignables, à la limite de concentration de 45 000 Soleils ou sous 1 000 Soleils, mais en utilisant des approches issues de la nanophotonique).

Bibliographie

Références bibliographiques

Une nouvelle génération de cellules solaires, La Recherche, 2013.

• D. LINCOT et al.L’Électricité fille du Soleil, Pour la Science, 2010.

• J.-F. GUILLEMOLES – Demain, le photovoltaïque, Reflets de la physique, 2007.

• A. SLAOUI et J.-F. GUILLEMOLES – Nanomatériaux pour la conversion photovoltaïque, mythe ou réalité, Actualité chimique, 2009.

Table des illustrations

Légende La surface grisée représente le flux d’énergie solaire par intervalle de longueur d’onde. La surface en rouge à gauche en donne la fraction convertie par une photopile au Silicium. À droite, la même chose pour une triple jonction GaInP/GaAs/Ge. Dans ce dernier cas, la fraction du spectre solaire convertie est bien plus importante
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11069/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 198k

Auteur

Physicien, Chimiste, Photovoltaïcien, Directeur de Recherche au CNRS, IRDEP, Chatou.
jf-guillemoles@chimie-paristech.fr

© CNRS Éditions, 2013

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540

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