ti module pv marché2

Toute repr

Électricité

Filières et ma

photovoltaïque

rchépar Jean-Claude MULLER

Membre du Programme interdisciplinaire énergie du CNRSInstitut d’électronique du solide et des systèmes InESS (UMR 7163, CNRS-ULP)

1. Matériaux et filières technologiques .................................................. BE 8 579 – 21.1 La filière silicium.......................................................................................... — 2

1.1.1 Matière première de silicium............................................................. — 31.1.2 Silicium monocristallin ...................................................................... — 31.1.3 Silicium polycristallin à gros grains, nommé silicium

multicristallin ...................................................................................... — 31.1.4 Silicium en ruban autosupporté ........................................................ — 4

1.2 Silicium en couches minces........................................................................ — 41.2.1 Silicium nanocristallin et amorphe ................................................... — 41.2.2 Mariage de l’amorphe et du cristallin ............................................... — 5

1.3 Autres matériaux en couches minces émergeants................................... — 51.3.1 Matériaux à base de tellurure de cadmium...................................... — 51.3.2 Matériaux à base de séléniure de cuivre indium (CIS).................... — 5

1.4 Apparition de nouveaux matériaux et concepts ....................................... — 51.4.1 Cellules multi-spectrales .................................................................... — 61.4.2 Composés organiques ....................................................................... — 61.4.3 Apparition de nouveaux concepts .................................................... — 6

2. Marché du photovoltaïque..................................................................... — 62.1 Les différents types de marché photovoltaïque ........................................ — 72.2 Installations cumulées : forte prédominance de la production

d’électricité connectée au réseau............................................................... — 72.3 Adaptation du produit au marché .............................................................. — 8

3. Perspectives d’avenir du photovoltaïque .......................................... — 8

Références bibliographiques ......................................................................... — 9

oduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Editions T.I. BE 8 579 − 1

vant la fin de la première moitié de ce siècle, la conversion directe de lalumière du soleil en électricité grâce au photovoltaïque (PV) devrait franchir

le seuil qui le rendra compétitif par rapport aux autres sources de productiond’électricité.

Dans le dossier [BE 8 578], les principes de la conversion photovoltaïque ontété donnés. Ils incluent des notions relatives à l’énergie transmise par le soleil,des éléments de physique des semi-conducteurs, les mécanismes de conductionde charges électriques, les caractéristiques électriques fondamentales du dispo-sitif photovoltaïque et son usage en tant que générateur de courant. Enconclusion, 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’élaborationdu dispositif photovoltaïque. En effet, il reste des verrous technologiques à leverrelatifs 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 deprocédés actuels de fabrication sont proches de ceux de la microélectronique etmettent en jeu trop d’opérations qui nécessitent l’usage de produits chimiques

ÉLECTRICITÉ PHOTOVOLTA

BE 8 579 − 2

et de gaz extrêmeexemples d’applicaréseaux, ainsi qu’à voltaïque à l’horizon

1. Matériatechnolo

Nous avons représentde conversion des meilltes filières d’élaboratioancienne est la filière ducellules réalisées par Beréalisation des premièrevoie la plus avancée sur lules à base de plaquetteratoire sont de 24,7 % ePour les rendements suréduction drastique des dements industriels au-d

Les couches minces vre-indium-sélénium (Cannées 1970, avec unepour la première, et unplus prometteuse pour industriels stagnent aumentation des rendemphe, polymorphe, micmatériaux composés à

Les filières à base debase de matériaux orgaet peinent à obtenir de(courbes d’évolution eplein ou pointillé sur la matériaux organiques, début de vie.

µc-Si Silicium

a-Si Silicium

CIS Chalco

Cz Tirage

EMC Croiss

FZ Tirage

HIT Hétéro

mc-Si Silicium

MWc Mégaw

pc-Si Silicium

p-i-n Structu

pm-Si Silicium

p-n Structu

RCC Structu

Sc-Si Silicium

ÏQUE ___________________________________________________________________________________________________________

ment toxiques. La dernière partie est consacrée à destions du photovoltaïque en sites isolés ou connectés à desl’évolution du marché et des prix du kilowattheure photo- 2040.

ux et filières giques

é sur la figure 1 les évolutions des rendementseures cellules de laboratoire pour les différen-n de dispositifs photovoltaïques. La plus silicium cristallin (Sc-Si), avec des premièresl Lab. (USA) en 1954, en même temps que las diodes et transistors. Elle reste toujours la

le plan technologique et industriel. Pour les cel-

Abréviations

microcristallin

amorphe

génures

Czochralski

ance électromagnétique

par zone flottante

structure

multicristallin

att crête, puissance mesurée à midi

polycristallin

re à zone intrinsèque

polymorphe

re à jonction plane

re à contacts arrières

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

1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060

Si cristallin

CIS a-Si Organique

Nouv Mat

Années

Films minces Si

Monoc – Si

26,9 %

a – Si3,4 %

a – Si sur c – Si4 %

CdTe0,4 %

CIS0,5 %

Ruban de Si0,9 %

Multi : mc – Si61,8 %

µc – Si sur c – Si1,8 %

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Editions T.I.

s en silicium cristallin, les rendements en labo-t on atteint les limites théoriques du silicium.r de grandes surfaces, l’avenir passe par unecoûts et une constante augmentation des ren-elà des 16 à 17 % actuels.

à base de silicium amorphe (a-Si) et de cui-IS) ont commencé à être étudiées dans les industrialisation trop rapide et décevantee progression du rendement de conversionla seconde. Pour ces filières, les rendementstour des 10 %. L’objectif majeur reste l’aug-ents de conversion pour le silicium (amor-ro- et poly-cristallin) ainsi que pour lesbase de chalcogénures (CIGS).

films minces de silicium polycristallin et àniques sont encore au stade du laboratoires rendements à la hauteur des espérancesscomptées pour les performances en traitfigure 1). En effet, pour les cellules à base dele rendement de conversion est de 3,5 % en

Les cellules du futur, à base de matériaux nano-structurés, restentau niveau du concept, et une recherche fondamentale de base estencore 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 connaissancede 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 matériauxcontribueront à l’enrichissement de la gamme des produits PV dis-ponibles et stimuleront ce marché très prometteur. Aujourd’hui ilssont au stade préindustriel, au niveau de la recherche ou même dela validation des concepts. Nous présenterons brièvement ces nou-veaux matériaux.

de silicium cristallin dans la production de cellules. Source AIE [2]

_______________________________________

Toute repr

1.1.1 Matière première de siliciu

À la base de toute l’industrie électroniquobtenu par réduction de la silice dans un fode 200 ˚C. On obtient ainsi un matériau dit pureté est d’environ 98 %. Ce produit est 300 ˚C, ce qui donne du silicium sous formou silane). Après pyrolyse et réduction1 100 ˚C, le matériau obtenu est sous lahaute pureté ; les traces d’impuretés résidppm. Il sert alors de produit de départ pouqui sont utilisés dans les industries de la mtovoltaïque. Cette matière première coûteraison de la forte augmentation de la demagroupes chimiques se préoccupent de déqualité solaire avec des techniques de pur

1.1.2 Silicium monocristallin

Il est possible d’avoir des monocristachralski (notée Cz), qui consiste à tirer un clin de 30 cm de diamètre, long de plus deplongé dans un bac de silicium fondu. Cepde minerai de silice, on n’obtient pas pmonocristallin pour une dépense énergl’ordre du MWh. Le reste est perdu dans purification. De plus, la moitié du cristal pde la découpe en tranches de 300 µm d’épobtenu est de type p, c’est-à-dire dopé avepoudre. La concentration est comprise entrede façon à présenter une résistivité de l’ochoix résulte d’un compromis entre une résible et un dopage modéré afin d’évitlongueur de diffusion des porteurs photog

Par la suite, on crée une barrière de potlecte des charges, c’est-à-dire la structurphotovoltaïques. Cette étape n’est pas dcette présentation (figure 6 du dossier [BE

Il existe une seconde méthode : on chauzone que l’on déplace le long d’un lingotainsi purifié, et que l’on nomme FZ.

Avec les matériaux Cz et FZ, dits de la possible d’obtenir un rendement de laboratoire : 24,7 % (Université de New Sosoit supérieur de huit points à ceux de l’in

L’architecture de la cellule la plus perreprésentée sur la figure 3.

Figure 3 – Structure de la cellule de laboraSource Photovoltaics Special Research Cen

Doublecoucheantireflets

Doigts

Contactarrière

Oxyde Oxyde(20

Silicium de type p

___________________________________________________________________ ÉLECTRICITÉ PHOTOVOLTAÏQUE

e moderne, le silicium estur électrique à arc à plus

« métallurgique », dont lapurifié par chlorination àe gazeuse (trichlorosilane par de l’hydrogène à

forme d’une poudre deuelles sont inférieures aur la croissance de lingots,

icroélectronique et pho- de plus en plus chère ennde. De ce fait de grands

velopper un matériau deification simplifiées [3].

ux par la méthode Czo-ristal parfaitement cristal- 1 m, à partir d’un germeendant, en partant de 1 kglus de 100 g de siliciumétique considérable, deles différentes phases deart en poussière au coursaisseur. Le silicium ainsic du bore, par apport de 1016 et 1017 atomes cm−3,

rdre de 0,1 à 1 Ω · cm. Cesistivité la plus faible pos-er la dégradation de laénérés.

entiel nécessaire à la col-e émettrice des cellules

étaillée dans le cadre de 8 578]).

ffe jusqu’à la fusion une. On récupère le silicium,

micro-électronique, il estconversion record en

uth Walles, Australie [4]),dustrie.

formante au monde est

1.1.3 Silicium polycristallin à gros grains, nommé silicium multicristallin

Dans un polycristal, les monocristaux sont séparés les uns desautres par des zones perturbées, les joints de grains. Chaque cristalde plus petite dimension n’a pas la même orientation que son voi-sin. On privilégie les techniques de croissance qui assurent la forma-tion d’une structure colonnaire avec de gros cristaux (dénommésilicium multicristallin, mc-Si) afin de limiter les effets néfastes desjoints de grains. Cette technique par solidification directionnelle aété 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 deplus de 250 kg sont ainsi obtenus par refroidissement contrôlé dusilicium en fusion dans un moule de nature appropriée (souvent enquartz). Cette méthode est plus rapide et moins coûteuse en énergiequ’une croissance d’un lingot Cz ou FZ (24 à 48 h contre quelquessemaines pour ces derniers).

Afin de diminuer le bilan énergétique de la croissance de lingotsde silicium, de nouveaux matériaux produits par coulée continue encreuset électromagnétique sont en cours d’industrialisation auJapon et en France [7].

Cependant le matériau multicristallin est d’une part contraint etdisloqué, et d’autre part contaminé par des impuretés résiduelles dela matière première de silicium. Cette dernière est en partieconstituée 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’ordrede 8 à 10 % avant 1980, sont actuellement de 16 à 17 % pour de gran-des plaquettes de 12,5 × 12,5 ou 15 × 15 cm2. Ces progrès s’expli-quent par l’amélioration constante de la qualité des matériaux et parl’accroissement des connaissances de neutralisation des défauts etdes impuretés résiduelles [8].

Actuellement, on sait parfaitement passiver les effets néfastes de laplupart des défauts cristallographiques. Par exemple, le dépôt parplasma d’une couche de 70 nm de SiN (H) assure une diminution despertes par réflexion (effet anti-reflet), et neutralise également desdéfauts de surface et de volume par l’hydrogène. Les atomes d’hydro-gène se fixent sur les liaisons pendantes (ou brisées) du silicium.

On peut également débarrasser partiellement les plaquettes desilicium de leurs impuretés métalliques résiduelles lors d’un traite-ment thermique à haute température : par un effet de migration, lesimpuretés se déplacent vers des sites situés en dehors des zonesactives, où elles sont piégées. Ce phénomène est plus connu soussa dénomination anglaise : « getter » [9].

toire la plus performante. ter UNSW [4]

Pyramidesinversées

mincenm)

Figure 4 – Principe de croissance par solidification directionnelle du type Polix [6] développé par Photowatt S.A. FR

Spires radiofréquences(chauffage)

Creuset en quartz

Isolation

Bainde siliciumIsolationthermiqueamovible

Support graphite

Lingotsolidifié

1ère étape : fusion 2e étape : cristallisation

BE 8 579 − 4

Toutefois, le sciage dreuse, car elle conduit àboration du silicium (actuellement aux alention mécanique des plaron 100 à 120 µm. L’altdifférentes ne nécessita

1.1.4 Silicium en

Les techniques de prtés ont été très séduisanue est basée sur l’ecarbone. Initié aux USAprocédé est actuellemeAllemagne par RWE Sctechniques de croissancarbone.

Ces rubans ont connde la recherche et, poude chaînes de productsance de silicium en ru

Cependant, la vitessement de quelques cm/mimposée par les critèresgrains et la pureté du m

Lingot cristallis

Découpe des

12,5 cm

Figure 6 – Procédé EFGà travers un gabarit de coctogonaux de silicium(Source RWE Schott Sol

Ruban de siliciusolidifié

Lèvresen carbone

ÏQUE ___________________________________________________________________________________________________________

e ces grands blocs reste une opération oné- une perte non négligeable de matière. L’éla-évolue vers des plaquettes ultra-mincestours de 200 µm chez Photowatt). La limita-ques due à leur manipulation se situe à envi-ernative consiste à générer des géométriesnt aucune opération de découpe.

ruban autosupporté

oduction de silicium en rubans autosuppor-ntes sur le plan technologique. La plus con-ffet de la capilarité entre deux lèvres de par Mobil-Tyco dans les années 1975 [10], cent le seul à être produit industriellement, enhott Solar. D’autres méthodes utilisent desce de ruban sur un film ou une maille de

u de nombreux développements au niveaur certains d’entre eux, jusqu’à la conceptionion pré-industrielles. Un exemple de crois-ban est donné sur la figure 6.

de croissance linéaire est lente, générale-

1.2 Silicium en couches minces

La technologie en couches minces de silicium cristallin déposé surun support consiste à apposer une couche mince de silicium poly-cristallin, de 10 à 40 µm d’épaisseur, sur divers substrats de siliciummétallurgique peu purifié, quartz, céramique ou métal. Les rende-ments de conversion sont du même ordre que ceux d’une cellule surun matériau massif, moyennant un confinement optique et unchamp arrière répulsif pour les porteurs minoritaires. Du fait de laplus faible distance parcourue par les photons, on se contente d’unepureté moindre pour le matériau de base. Toutefois, le point déter-minant pour le développement de cette méthode est le coût de lamatière première de silicium.

1.2.1 Silicium nanocristallin et amorphe

Depuis les années 1970 (figure 1), des recherches intensives ontété entreprises pour utiliser du silicium non cristallisé, c’est-à-dire àl’état amorphe, dont les liaisons pendantes sont saturées par hydro-génation. Ce matériau présente trois avantages majeurs :

— un fort coefficient d’absorption, qui autorise de très faiblesépaisseurs de l’ordre du micron et qui diminue ainsi le risque de

Figure 5 – Principales étapes de fabrication du matériau, de la cellule et du module de la Sté Photowatt. S.A. FR

é 20 kg

briques

Découpe des plaquettes (sciage à fil)

Fabrication des cellules

Assemblage des modules

12,5 cm

~ 80 cm

in à quelques dizaines de cm/min. Elle est de solidification qui déterminent la taille desatériau par la ségrégation des impuretés.

pénurie de silicium ;— une faible consommation énergétique durant le cycle de pro-

duction 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 conver-sion et la dégradation sous lumière (instabilité dite de Staebler-Wronski). Ils sont de mieux en mieux surmontés par des artificestechnologiques tel que la superposition de deux structures p-i-n en« tandem », ou de trois couches actives très minces. On réduit ainsila 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, intrin-sèque et dopée d’atomes de phosphore (p-i-n). Chaque élémentpeut être directement connecté en série sans besoin de liaisonsexternes.

Comme les rendements industriels stagnent depuis des annéessous la barre des 10 %, cette filière voit ses parts de marché dimi-nuer. De ce fait, elle s’oriente d’avantage vers les petits systèmesdits « grand public ».

de tirage de rubans de silicium par capillarité arbone [10] permettant l’obtention de tubes

(avec un gabarit de forme octogonale). ar)

mBain de silicium

Creuseten graphite

_______________________________________

Toute repr

1.2.2 Mariage de l’amorphe et d

L’avenir des couches de silicium amorphpar un mariage avec le silicium cristallin. Enà base de a-Si/silicium cristallin (structure Hont des rendements de laboratoire de plus dduction industrielle. Elles devancent actubase de silicium amorphe à simple structur

1.3 Autres matériaux en coémergeants

Les recherches intensives entreprises années sur d’autres matériaux que ceux àsent peu à peu au stade de l’industrialisati

Figure 7 – Cellule à base de silicium amorphen coupe d’un module (Source Solems)

Figure 8 – Hétéro-structures à base de a-Si(structure HIT de Sanyo) [11]

Silicium amorpheLumière

VerreConducteurtransparent

Couche p

Couche i

Couche n

Métal

Connection des élémLumière

Encapsulant

Électr

p type a-Si : Hi type a-Si : H

i type a-Si : Hn type a-Si : H

Électrode

n-type c-Si : H

1.3.1 Matériaux à base de tellurure de cadmium

Jusqu’à une date récente, il était admis que la filière à base de sul-fure de cadmium et de tellure de cadmium (CdS-CdTe) représentaitl’une des approches les plus prometteuses pour le photovoltaïqueterrestre. La valeur 1,45 eV de la bande d’énergie interdite du CdTeest idéalement adaptée au spectre solaire. En outre, son très grandcoefficient d’absorption (figure 5 de l’article [BE 8 578]) fait que laquasi totalité du spectre est absorbée sur une profondeur de 2 µm,autorisant ainsi l’utilisation de matériaux relativement impurs, dontla longueur de diffusion des porteurs minoritaires ne dépasse pasquelques µm. Les résultats de rendement de conversion sont trèsencourageants : plus de 10 % sur une grande surface. Cependant,les problèmes d’environnement associés à l’utilisation du cadmiumfreinent les tentatives de développement de cette filière.

1.3.2 Matériaux à base de séléniure de cuivre indium (CIS)

Avec un coefficient d’absorption 100 à 1 000 fois plus fort quecelui du silicium cristallin (dans la gamme de 1.1 à 2.6 eV), le disélé-niure de cuivre et d’indium (CIS) est un matériau très prometteur. Cecomposé de type I-III-VI, de structure chalcopyrite, a un rendementthéorique de l’hétérojonction (n)CdS-(p)CuInSe2 qui se situe autourde 25 %. Les cellules à base de composés chalcopyrites quaternairesdu type Cu(Ga,In)(Se,S)2 ont récemment atteint des rendements deconversion record de 18,8 % en laboratoire.

Malgré les difficultés connues pour maîtriser cette filière à grandeéchelle, un rendement de 12,8 % a été obtenu sur le plan industriel(figure 9).

1.4 Apparition de nouveaux matériaux

e à structure p-i-n, et vue

~10 nm

~20 nm

~200 µm

Figure 9 – Vue en coupe d’une cellule à base de CuInSe [12]

Grille Ni / Al

MgF2 (0,1 µm)

ZnO (0,5 µm)CdS (30 nm)

Cu (In,Ga) Se2 (2 µm)Mo (0,5 µm)

u cristallin

e passera, probablement, effet, les hétéro-structuresIT de Sanyo [15], figure 8)e 21 % et de 16 % en pro-

ellement les dispositifs àe p-i-n (figure 2).

uches minces

depuis de nombreuses base de silicium aboutis-on.

et concepts

Les films minces sont des outsiders sérieux, capables en principede « pulvériser » les performances combinées de rendement et decoût du Si cristallin massif. Leur développement passe par un travailde recherche relativement long avant d’envisager une industrialisa-tion substantielle, probablement vers la fin du premier quart du21e siècle.

On notera que les cellules de très haut rendement (silicium, compo-sés III-V) ainsi que les systèmes à concentration restent des sujetsintéressants, mais ils n’offrent pas de débouchés substantiels enEurope. Quant aux cellules « exotiques », elles ont un intérêt du pointde vue de la recherche fondamentale, mais les plus séduisantesd’entre elles, les piles électrochimiques à base de TiO2 et de colorants(dite cellule de Grätzel [13]), ont peu de chance de déboucher àgrande échelle tant qu’elles comporteront un électrolyte liquide etprésenteront certaines instabilités. Enfin, les cellules à base de maté-riaux organiques ne concerneront que des applications dans ledomaine de dispositifs à bas coût jetables ou à usage éphémère, tantque leur durée de vie restera sous la barre des 1 000 heures.

/silicium cristallin

BE 8 579 − 6

1.4.1 Cellules mu

Un empilement infinlongueur d’onde, donnempilement de trois cede 63,8 % [14]. La réalitérimentaux sont de 36,9GaAs/Ge [15].

1.4.2 Composés o

La production d’énerques semi-conducteurterme de rendement e500 heures seulement.production de ces prodvement facile. Les enjeude ce type de matériauxtaïques plastiques estNéanmoins, l’efficacitél’énergie lumineuse enmodeste. Longtemps d[16], le record de renddépassant pas 500 heu5 % et 5,7 % par d’autrela stabilité.

1.4.3 Apparition d

De nouvelles voies exl’intégration de nanocriférentes couches fonctiles photons UV (trop ésion photovoltaïque) endomaine du spectre vis

Figure 10 – Vue en couporganiques (Source Uni

Dérivés du fullerène C60

Source : Université de Li Autriche

ÏQUE ___________________________________________________________________________________________________________

lti-spectrales

i de cellules, chacune étant adaptée à uneerait un rendement limite de 86,8 %, et unllules offrirait déjà un rendement maximum est tout autre : les meilleurs résultats expé- % avec une structure triple du type InGaP/

rganiques

gie électrique utilisant des matériaux organi-s reste un défi technologique majeur, ent de stabilité : les cellules sont stables sur Si ces problèmes sont résolus, le coût deuits serait faible, et leur mise en forme relati-x économiques sont évidents et l’utilisation pour la préparation de dispositifs photovol- un thème de recherche en plein essor. de ces systèmes pour la conversion de énergie électrique reste pour le momentétenu par l’Université de Linz en Autricheement est de 3,5 % avec une stabilité neres (figure 10). Il a été récemment porté às équipes de recherches, sans précision sur

e nouveaux concepts

ploratoires sont engagées : elles portent surstallites (minéraux ou organiques) dans dif-onnalisées pour convertir par luminescencenergétiques et peu efficaces pour la conver- photons ayant une longueur d’onde dans leible [17].

2. Marché du photovoltaïque

Après avoir gagné le marché des applications professionnelles ensites isolés et des services aux populations rurales des pays endéveloppement, l’électricité solaire a l’espoir de s’affirmer commesource complémentaire des sources d’énergie électrique classiquespartout dans le monde, avant le milieu de ce siècle. Elle contribueraalors 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 photo-voltaïques (figure 11) est en croissance quasi-exponentielle : envi-ron 35 % de croissance en moyenne du marché par an durant leshuit dernières années, avec un record de 66 % en 2004. Elle a atteint1 638 MWc en 2005 [2]. C’est 20 fois plus de modules qu’il y a15 ans, et les prévisions à l’horizon 2010 donnent une multiplicationpar cinq de la production.

Malgré l’immense chemin parcouru, l’électricité solaire n’a pasencore franchi le seuil lui permettant d’être compétitive par rapportaux autres sources de production d’électricité. L’effort à apporterdoit améliorer d’un facteur trois aussi bien le coût du watt installéque le coût du kilowattheure produit.

En 25 ans, le prix de revient du watt photovoltaïque a considéra-blement baissé : supérieur à 100 francs par watt en 1975, il estaujourd’hui tombé aux environs de 2 € par watt pour les modulesPV. Le prix de vente du module photovoltaïque est de 2,6 € par watten 2005, est en baisse constante de 10 à 15 centimes d’euro par wattet par an. Le coût d’un système installé de l’ordre de 3 kW (c’est-à-dire d’environs 30 m2 voir [BE 8 578]) connecté à un réseau est de 5à 6 € par watt et de 8 à 10 € par watt pour un système en site isoléavec stockage par batteries.

ITO :couche d'oxyded'indium - étain

1 400MWc

e d’une cellule souple à base de matériaux versité de Linz, Autriche [16])

hν (400 nm)

ContactsurITO

Contactsur l'électroded'aluminium

Substrat de verre

C12H25O

Figure 11 – Évolution du marché mondial du photovoltaïque avec une période de faible puis de forte croissance (en 2004, la production a atteint 1 260 MWc avec un taux record de croissance de 66 % et en 2005, 1 638 MWc, en hausse moyenne de 30 à 35 % par an depuis 8 ans) [2]

Reste du monde

Europe

Années

_______________________________________

Toute repr

2.1 Les différents types dephotovoltaïque

La technologie du photovoltaïque ne slentement par la conquête progressive deles pays développés, à travers des appl(bornes téléphoniques d’appels d’urgencbalisage et surtout relais de télécommunicsur les premières niches ont permis demesure, des marchés plus vastes.

Avec la croissance d’avant les années fallu attendre 25 ans pour que la produatteigne 5 000 MW/an, soit l’équivalent de tion mondiale d’énergie primaire prévue pment dit, la conversion photovoltaïque drestée un gadget ou, au mieux, une sousites isolés.

Des actions politiques d’envergure étaattendues. Elles sont venues de l’Allemagrécemment de l’Union Européenne à tvolontaristes qui ont dynamisé la recherchtaïque. On assiste actuellement à de nombde systèmes intégrés à l’architecture et d’installations privées connectées au réseacomme le programme de 100 000 toits 70 000 toits PV connectés au réseau au Ja

Les applications du photovoltaïque codemandes énergétiques.

Les premiers marchés pour les pays dévlés, comme l’alimentation en électricité dtions, des balises, des dispositifs de sécurile biais d’un stockage sur batteries (figactuellement près de 20 % des parts du m

Les besoins des pays en voie de déveloque 15 % du marché et ils concernent le prage, la réfrigération, ... (figure 13). Souted’aide de la Banque Mondiale, des ONG...des applications pionnières.

Depuis une dizaine d’années, on assisteveau marché pour les pays développés : lad’électricité. Elle est devenue en quelques dérant, avec 60 % des parts du marché, esde toits photovoltaïque connectés aux réque sous la forme de centrales électriques

Figure 12 – Exemples d’applications du ph

Sécurité

marché

’est développée que très niches de marchés dansications professionnellese, télédétection, alarme,ation). Les profits réalisés développer, au fur et à

1998 (figure 11), il auraitction mondiale annuelle0,005 % de la consomma-our cette époque. Autre-e l’énergie solaire seraitrce énergétique pour les

ient donc nécessaires etne, puis du Japon et plusravers des programmese et l’industrie photovol-reuses expérimentationsà une diffusion massiveu (programme du NEDO)PV en Allemagne et depon.

uvrent tous les types de

eloppés sont les sites iso-es relais de communica-té et autres systèmes parure 12). Ils représententarché du PV.

ppement ne représententompage de l’eau, l’éclai-

nus par des programmes, ils font également partie

à l’émergence d’un nou- production décentraliséeannées le secteur prépon-sentiellement sous formeseaux (figure 14), plutôt

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

Stations de pompage Dispensaire

(figure 15).

2.2 Installations cumulées : forte prédominance de la production d’électricité connectée au réseau

Si le photovoltaïque veut représenter un jour une part significa-tive de la production d’électricité en Europe, celle-ci devra se faire, àl’instar de la révolution de la micro-informatique, à partir d’une mul-titude de « producteurs - consommateurs » privés diffus, mais reliésaux réseaux existants, plutôt que par des centrales solaires de gran-des tailles. En effet, le photovoltaïque est avant tout une sourceénergétique décentralisée et disponible à la porte de chacun.otovoltaïque en site isolé

Balise

Figure 15 – Exemples de production d’électricité photovoltaïque centralisée

Centrale de TolèdePuissance fournie : 1 MW

Centrale de CaliforniePuissance fournie : 8 MW

BE 8 579 − 8

Selon les estimationsde l’énergie (AIE) [2], lalée est produite au Ja(800 MWc), 15 % aux Étpays du monde, dont las’explique par le retaréseau » du fait de l’engtions en sites isolés.

Le centre névralgiquetovoltaïques se situe dsociétés du silicium crissociété du silicium amsont considérables [18]500 MWc en 2005, KyocCe dernier annonce unNotre producteur natioclassement, faute de mtours de la 10e place, anaise et chinoise.

Dans le domaine dÉtats-Unis démarrèrentcentrales de 1 à 6 MWcpar l’Espagne avec l’aidzaine de centrales de 10européen au cours desfrançaise de 100 kW a é

2.3 Adaptation

La production industvoltaïques a été de pluchemin avec une progrles qui devrait rester, sephotovoltaïques (EPIA)2015, puis passer à un rAvec ces estimations, modules PV en 2030 depuissance de 300 réa36 réacteurs au moins e1 000 heures de fonctiopour le nucléaire).

En ce qui concerne l’année 2000, entre 3060 centimes pour l’Eurol’intersection avec le codu Sud, et d’ici 2020 pavec le coût du kWh nudre les années 2030-204

3. Perspecdu phot

Afin de rester compéà base de silicium cristase référer à l’ouvrage [2

— soit des substrats lée continue ;

— soit des films mingers ou transférés par p

Pour l’horizon 2025, lsignificative de la pros’ensuivra un élargisse

ÏQUE ___________________________________________________________________________________________________________

les plus récentes de l’Agence internationale moitié de la puissance effectivement instal-pon (1 200 MWc), un tiers en Allemagne

ats-Unis (350 MWc), et le reste par les autres France (20 MWc). La position de l’Hexagonerd pris dans le secteur du « connecté auagement prolongé dans la voie des applica-

de la production mondiale de modules pho-orénavant dans la région d’Osaka, avec lestallin Sharp, Kyocera, Sanyo, Mitsubishi et laorphe Kaneka. Les capacités de production : le leader mondial Sharp a produit près deera 160 MW et Q-cell en Allemagne 200 MW. doublement de la production pour 2006.

nal Photowatt rétrograde sans cesse dans learché en France. Il est actuellement aux alen-u coude à coude avec une entreprise taïwa-

es grandes centrales photovoltaïques, les les premiers dès les années 1985 avec de, en Californie. Ils ont été suivis par l’Italie ete de la Communauté Européenne. Une dou-0 kW à 3 MWc ont été connectées au réseau 10 dernières années. La première centraleté inaugurée en mai 2005, à Chambéry.

du produit au marché

rielle annuelle mondiale de modules photo-s de 1 600 MWc en 2005. Elle est sur le bonession de la production mondiale de modu-lon l’association européenne des industries

[19], sur la pente des 30 % par an jusqu’enythme un peu moins soutenu de 25 % par an.nous devrions atteindre une production de 300 GWc par an, c’est-à-dire l’équivalent encteurs nucléaires de 1 000 MW et den production d’énergie sur l’année (environ

nnement par an pour le PV et plus de 8 000 h

le coût du kWh produit, il est estimé, pour centimes d’euro pour l’Europe du Sud etpe du Nord [20]. On n’est plus très loin deût plafond du kWh de pointe pour l’Europe

l’émergence de nouveaux concepts de cellules à base de matériauxpolymères ou de colorants. Actuellement, ces dernières présententrespectivement des rendements en laboratoire de 3 à 10 %, avecencore des problèmes de stabilité.

À l’inverse, d’autres experts, dont le professeur T. Saitoh pionnierdu silicium cristallin au Japon, présentent la filière à base de sili-cium cristallin comme « éternelle ». Le développement des billes desilicium, de 0,6 mm de diamètre imprimées sur un substrat soupled’aluminium (Sté SSP de Photowatt Int., Canada), ainsi que les

Figure 16 – Évolution prévisible du prix du kWh PV jusqu’en 2040 selon l’étude d’EPIA pour PV Track [19]

1990 2000 2010 2020 2030 2040

€ /kWh

900 h/a:0,60 € /kWh

1800 h/a:0,30 €/kWh

Années

Coût de l'électricité

Photovoltaïque

Du réseau en pointe

Du réseau de base

our l’Europe du Nord. Pour être compétitifcléaire à 3 centimes d’euros, il faudra atten-0 (figure 16).

tives d’avenir ovoltaïque

titifs dans les vingt ans à venir, les matériauxllin évoluent sans cesse (pour plus de détail1]) vers :de plus en plus minces ou obtenus par cou-

ces de Si cristallisés sur des substrats étran-elage sur un verre ou un plastique.

a plupart des experts entrevoient une percéeduction industrielle des films minces. Ilment de la gamme des produits PV, avec

potentialités des matériaux nano- ou micro-cristallins sont des bonsexemples des capacités du silicium à rebondir dès l’émergence detechnologies concurrentes.

Le marché mondial est en plein essor et le cumul des installationsdevient important. Au point que la part de l’électricité photovoltaï-que dans la production mondiale sort du bruit de fond : 0,03 % de laproduction mondiale en 2005. La part d’électricité produite en sitesisolés d’une part (habitat isolé, pompage de l’eau, balises mariti-mes, relais téléphoniques) et en sites connectés au réseau d’autrepart (centrales et surtout toits photovoltaïques) ne cessent de croî-tre. À l’horizon 2020, le photovoltaïque pourrait représenter prés de1 % de la consommation mondiale d’électricité et plus de 14 % àl’horizon 2040. Sa part devrait également dépasser les prévisions deproduction d’électricité d’origine nucléaire.

On peut donc espérer que le photovoltaïque participera d’unefaçon non négligeable à la réduction des gaz à effet de serre(figure 17). Rappelons que la convention des Nations-Unis sur leschangements climatiques imposera pour les pays industrialisés,pour le milieu de ce siècle, une réduction par quatre des émissionsde CO2.

_______________________________________

Toute repr

Figure 17 – Évolution prévisible de la part

19% 20%

40 000

30 000

20 000

10 000

02001 2010

Hydroélect. Petite H

Géothermie Solaire

[1] GOETZBERGER (A.), LUTHER (J.) et WILLE(G.). – Proc. 12th Int’l PVSEC Conf, JeKorea, p. 5 (2001).

[2] World Energy Outlook. IEA Annual Rep(2005&2006).

[3] WEIDHAUS (D.), SCHINDLBECK (E.) HESSE (K.). – Trichlorosilane based silicfeedstock for the photovoltaic industry. Scon for the Chemical Industry VII. NorwEds. (2004).

[4] GREEN (M.A.), WANG (A.), ZHENG (G.ZHANG (Z.), WENHAM (S.R.), ZHAO (J.), S(Z.) et HONSBERG (C.B.). – Proc. 12th PVSEC Amsterdam, p. 776 (1994).

[5] AUTHIER (B.H.). – German Patent (DONo. 25 0883 (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. 6(1981).

26%38%

des EnR (et du PV en jaune) selon une étude d’EUREC [20]

2020 2030 2040

therm.

Biomase

Energ. marine

Eolienne

Energ. fossiles

Années

Références bibliographiques

etonili-ay

F.),HI

[8] ROHATGI (A.), YELUNDUR (V.), JEONG (J.),RISTOW (A.) et EBONG (A.). – 10th Workshopon crystalline Silicon Solar Cell Materials andProcess (CO), p. 12 (August 2000).

[9] MULLER (J.C.) et MARTINUZZI (S.). – Journalof Material Research V 13, 2721-2731 (1998).

[10] RAVI (K.V.) et al. – Proc. 11th IEEE PVSCScottsdale (Arizona), p. 280 (1975).

[11] TAGUCHI (M.) et al. – HIT Cells-High Effi-ciency crystalline Si cells with Novel Struc-ture. Prog. Photovolt : Res. Appl., 8, 503(2000).

[12] GUILLEMOLES (J.F.) et al. – ADEME-CNRSAnnual Seminar on PV materials and proces-ses. Sophia-Antipolis, p. 45 (2003).

[16] SHAHEEN (S.E.), BRABEC (C.J.), SARICIFTCI(N.S.), PADINGER (F.), FROMHERZ (T.) etHUMMELEN (J.-C.). – Appl. Phys. Lett. 78,841-843 (2001).

[17] ≥VRCEK (V.), SLAOUI (A.) et MULLER (J.-C.).– Silicon nanocrystals as light converter forsolar cells, Thin-Solid-Films. 451-452, 384-388(2004).

[18] La Lettre du Solaire. CYTHELIA (Avril 05).

[19] Présentation de l’étude du Groupe « PVTrack » avec les industriels d’EPIA – A Visionfor PV Technology up to 2030 and beyond –EC Meeting: Future Vision of PV, Brussels, 28Sept. (2004).

. –74

[13] O’REGAN (B.) et GRÄTZEL. – A low cost, highefficiency solar cell based on dye-sensitizedcolloidal 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. 3rd World Conf., Osaka (Japan) (2003).

[20] Étude prospective effectuée par EurecAgency. BE-1040 Bruxelles (2004).

[21] MULLER (J.-C.) et SIFFERT (P.). – Silicon forPhotovoltaics, in Silicon : Evolution andFuture of a Technology, Eds by P. Siffert &E. Krimmel, Springer-Verlag, Berlin-Heidel-berg, pp. 73-92 (2004).

ti module pv marché2

Documents

vignau pv coursed

o ti c u r nst is o b acord- express o module ossature bois

universite mohammed premier طقنلارضحم module n°...

$ibshfvtft qfmmfufvtft - inrs · 5pvuf sfqsntfoubujpo pv...

ti modulepv4

aquatherm green ti aquatherm blue ti

présentation info-pv

calculatrices scientifiques ti-30xs multiview™ et ti-30xb

about pv gap

quaderno 10 pv

pv formula

pv ctp mars2003

3 pv hybride.ppsx

facilitateur pv

universite mohammed premier طقنلارضحم module n°...

pv autonome

course pv es

pv du débat

ti ti-83 plus conic graphing

reflects2014 pv