Avec les progrès technologiques et la montée en puissance de l'industrie, le coût de la production d'énergie photovoltaïque (PV) continue de diminuer, la positionnant comme une source d'énergie essentielle pour le développement durable à l'avenir.
Composants clés de la technologie photovoltaïque
L'élément central de la technologie de production d'énergie photovoltaïque est la cellule photovoltaïque. L'évolution des cellules photovoltaïques se divise en trois générations. La première génération comprend les cellules à base de silicium ; la deuxième, les cellules à couches minces ; et la troisième, les nouvelles technologies telles que les cellules photovoltaïques à haute concentration (HCPV), les cellules organiques, les cellules flexibles et les cellules à colorant. Actuellement, les cellules à base de silicium dominent le marché, tandis que les cellules à couches minces gagnent progressivement des parts de marché. La plupart des cellules de troisième génération, à l'exception des HCPV, sont encore au stade de la recherche.
Cellules solaires à base de silicium
Parmi les cellules solaires à base de silicium, la technologie du silicium monocristallin est la plus aboutie. L'efficacité et le coût de ces cellules dépendent principalement du procédé de fabrication, qui comprend des étapes telles que la coulée en lingots, le découpage des plaquettes, la diffusion, la texturation, la sérigraphie et le frittage. Les cellules solaires produites par ce procédé conventionnel atteignent généralement un rendement de conversion photoélectrique de 16 à 18 %.
Les cellules solaires en silicium monocristallin présentent le rendement de conversion le plus élevé, mais sont également les plus coûteuses. Les cellules solaires en silicium polycristallin permettent de réduire considérablement les coûts grâce à la fabrication directe de lingots de silicium carrés de grande taille, adaptés à la production de masse. Ce procédé est plus simple, économe en énergie, préserve la matière première (silicium) et exige une qualité de matériau moindre.
La réduction du coût des cellules solaires peut être obtenue grâce à deux stratégies principales : la diminution de la consommation de matériaux (par exemple, la réduction de l’épaisseur des plaquettes de silicium) et l’augmentation du rendement de conversion. Parmi les méthodes permettant d’améliorer ce rendement, on peut citer l’augmentation de l’absorption de la lumière (par exemple, la texturation de surface, le revêtement antireflet, la réduction de la largeur de l’électrode avant), la réduction de la recombinaison des porteurs photogénérés (par exemple, la passivation de l’émetteur) et la minimisation de la résistance (par exemple, le dopage localisé, la technologie du champ de surface arrière).
Le rendement de conversion le plus élevé jamais enregistré pour les cellules solaires en silicium monocristallin est de 24,7 %, obtenu par la cellule solaire à structure PERL de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud. Ses principales caractéristiques technologiques comprennent une faible concentration de dopage au phosphore à la surface du silicium afin de réduire la recombinaison de surface, une diffusion à haute concentration sous les électrodes de surface avant et arrière pour former de bons contacts ohmiques, et l'utilisation de la photolithographie pour affiner les électrodes de surface avant, augmentant ainsi la surface d'absorption de la lumière. Cependant, cette technologie n'est pas encore industrialisée.
D'autres techniques permettent d'améliorer le rendement, notamment les cellules texturées rainurées en surface et la technologie de contact arrière (EWT) de BP Solar. Les premières atteignent un rendement de 18,3 % grâce au rainurage laser, qui réduit la largeur des électrodes avant et augmente l'absorption de la lumière. La seconde atteint un rendement de 21,3 % en déplaçant les électrodes avant vers l'arrière, ce qui accroît la surface d'absorption de la lumière.
Cellules solaires à couches minces
Bien que les cellules solaires en silicium cristallin dominent le marché grâce à leur rendement élevé, la réduction significative de leur coût reste un défi en raison du prix élevé du silicium. Les cellules solaires à couches minces, qui utilisent moins de matériau, constituent une alternative économique. Les principaux types de cellules à couches minces comprennent les cellules à base de silicium, les cellules au tellurure de cadmium (CdTe) et les cellules au séléniure de cuivre, d'indium et de gallium (CIGS).
Les cellules à couches minces à base de silicium ont une épaisseur de seulement 2 micromètres et utilisent environ 1,5 % de la matière nécessaire aux cellules en silicium cristallin. Selon le nombre de jonctions PN, ces cellules peuvent être à simple jonction, à double jonction ou à jonctions multiples, chacune capable d'absorber différentes longueurs d'onde du rayonnement solaire. Le rendement maximal des cellules à simple jonction est d'environ 7 %, tandis que celui des cellules à double jonction peut atteindre 10 %.
Les cellules à couches minces de CdTe offrent un rendement supérieur (jusqu'à 12 %) grâce à leurs bonnes propriétés d'absorption de la lumière. Cependant, la nature cancérigène du cadmium et les réserves naturelles limitées de tellure constituent des défis majeurs pour leur développement à long terme.
Les cellules à couches minces CIGS sont considérées comme l'avenir de la technologie des couches minces à haut rendement. En optimisant leur procédé de fabrication, il est possible d'améliorer leur absorption de la lumière et, par conséquent, leur rendement de conversion. Actuellement, les rendements en laboratoire atteignent 20,1 %, tandis que les produits commerciaux culminent à 13-14 %, ce qui en fait les cellules à couches minces les plus performantes.
Cellules de troisième génération
En théorie, les cellules de troisième génération peuvent atteindre des rendements de conversion élevés. À l'exception des cellules HCPV, la plupart sont encore au stade de la recherche. Les cellules HCPV utilisent généralement des matériaux semi-conducteurs III-V, qui présentent une meilleure résistance à la chaleur et conservent un rendement de conversion élevé même sous un fort ensoleillement. Les structures multijonctions permettent à ces cellules de s'adapter au mieux au spectre solaire, avec des rendements théoriques pouvant atteindre 68 %. La production commerciale permet d'atteindre des rendements supérieurs à 40 %.
Les cellules solaires sont encapsulées dans des modules, et leurs applications dépendent de leurs caractéristiques et de la demande du marché. Parmi les premières applications figuraient les stations de base de communication et les satellites, puis elles se sont étendues aux zones résidentielles, notamment aux toitures solaires. Dans ces cas, les surfaces d'installation limitées et les besoins élevés en densité énergétique ont favorisé les modules en silicium cristallin. Avec le développement des centrales solaires à grande échelle et du photovoltaïque intégré au bâtiment (PVIB), les considérations de coût ont conduit à une augmentation des applications des cellules à couches minces. Les conditions environnementales et climatiques influencent également le choix des différentes technologies.
Applications de la technologie photovoltaïque solaire
La conversion du rayonnement solaire en électricité utilisable nécessite un système photovoltaïque complet. Les cellules photovoltaïques constituent la base de ce système, qui comprend également des onduleurs, des batteries, des systèmes de surveillance et des systèmes de distribution.
Classification et composition des systèmes photovoltaïques
Les systèmes photovoltaïques sont classés en deux catégories : les systèmes hors réseau et les systèmes raccordés au réseau. Les systèmes hors réseau peuvent être autonomes ou hybrides.
Les systèmes autonomes sont généralement utilisés dans les zones isolées, les stations de base de communication et l'éclairage public solaire, et fonctionnent exclusivement à l'énergie solaire. Ils comprennent des modules solaires, des onduleurs, des régulateurs, des batteries, des systèmes de distribution et un système de protection contre la foudre. Les batteries et les régulateurs ont un impact significatif sur le coût et la durée de vie du système. Les systèmes hybrides combinent l'énergie solaire à d'autres sources d'énergie comme les groupes électrogènes diesel ou les éoliennes.
Les systèmes raccordés au réseau, couramment utilisés pour les installations solaires en toiture et les grandes centrales photovoltaïques, ne nécessitent pas de stockage, ce qui réduit les coûts. Ces systèmes comprennent des modules solaires, des onduleurs, des systèmes de distribution, des parafoudres et des systèmes de surveillance. Actuellement, les systèmes raccordés au réseau représentent 80 % de toutes les applications solaires.
Autres technologies de production d'énergie photovoltaïque
Outre la technologie des cellules photovoltaïques, la technologie des onduleurs, l'intégration au réseau, le stockage et la surveillance intelligente sont essentiels pour les systèmes de production d'énergie photovoltaïque :
La puissance de sortie des cellules solaires varie en fonction de l'intensité du rayonnement solaire, ce qui entraîne une intermittence. L'intégration à grande échelle au réseau peut avoir un impact sur celui-ci, rendant indispensables le contrôle du réseau et la protection contre l'îlotage.
Le courant de sortie des modules solaires est un courant continu (CC), nécessitant une conversion de haute qualité en courant alternatif (CA) via des onduleurs.
La puissance de sortie des modules peut être affectée par des facteurs tels que la température et l'ombrage, ce qui nécessite la mise en place de systèmes de surveillance et d'alarme.
La technologie de télécommande est essentielle pour les centrales photovoltaïques situées dans les zones reculées.
La Chine est leader dans la production de modules solaires, tant en termes de qualité que de volume. Les segments les plus rentables de la chaîne de valeur comprennent la purification du silicium, les onduleurs, les systèmes de surveillance et la fabrication d'équipements photovoltaïques. Réaliser des avancées majeures dans ces domaines clés représente un défi pour l'industrie photovoltaïque chinoise.
État actuel et perspectives d'avenir de la production d'énergie solaire photovoltaïque
En raison de son coût élevé, la production d'énergie solaire photovoltaïque n'a connu qu'à la fin du siècle dernier. Au début du XXIe siècle, grâce à une efficacité accrue et à des coûts en forte baisse, elle a connu une croissance rapide, la capacité installée augmentant chaque année. La capacité installée mondiale annuelle est passée de 1,4 GW en 2000 à 22,8 GW en 2009. Des pays européens comme l'Allemagne, l'Italie et l'Espagne constituent des marchés importants, l'UE prévoyant de porter la part de l'énergie solaire à 12 % de sa production totale d'électricité d'ici 2020. Des pays en développement comme la Chine et l'Inde ont également lancé des plans de développement solaire. Outre les stations de base de télécommunications, les toitures solaires et les centrales photovoltaïques, l'énergie solaire photovoltaïque est désormais largement utilisée dans divers appareils mobiles.
En tant que source d'énergie complémentaire et alternative, la technologie photovoltaïque solaire connaît un développement rapide, avec des coûts de production en baisse. Grâce aux progrès technologiques constants, l'énergie solaire, ressource propre et renouvelable, est appelée à devenir une source d'énergie essentielle au développement durable.
