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RÉSUMÉ
La croissance constante de la demande en énergie associée au réchauffement climatique annoncé sont des facteurs très motivants pour le développement des cellules photovoltaïques les plus performantes et les moins coûteuses. Cet article passe en revue la chaîne de valeur de différentes technologies de fabrication des cellules photovoltaïques. Ainsi, il sera question des cellules à base de silicium cristallin et amorphe, voire une combinaison des deux. Il s’agira également des cellules en couches minces inorganiques (CdTe, CIGS, GaAs…), organiques (polymères, petites molécules) et également hybrides organique-inorganique (DSSC, pérovskites). Cet article aborde également le marché photovoltaïque en s’intéressant aux usages, à l’évolution de la demande et aux coûts.
The ever-increasing demand for energy combined with global warming have been the driving forces toward the development of the most efficient photovoltaic cells, and the search for innovative processes to drastically reduce manufacturing costs. This review reports on the value chain of several photovoltaic cell manufacturing technologies, some of which are already on the market, while others are still at the research stage or at best being developed by start-ups. These include crystalline and amorphous silicon cells, or a combination of the two. Inorganic thin-film cells (CdTe, CIGS, GaAs...), organic thin-film cells (polymers, small molecules) and organic-inorganic hybrid cells (DSSC, perovskites) are also covered. The review also looks at the photovoltaic market in terms of uses, demand trends and costs.
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Abdelilah SLAOUI : Directeur de recherche CNRS - Laboratoire des sciences de l’ingénieur, de l’informatique et de l’imagerie - ICube, CNRS, université de Strasbourg, Illkirch-Graffenstaden, France
INTRODUCTION
La conversion directe de la lumière du soleil en électricité grâce au photovoltaïque (PV) a déjà franchi le seuil de rentabilité économique par rapport aux autres sources de production d’électricité, et ce dans plusieurs régions du monde. Ceci a pu avoir lieu à cause de la conjugaison de plusieurs facteurs : un progrès technique important aux niveaux des matériaux et des composants permettant d’augmenter les rendements de conversion à des valeurs proches des limites théoriques, une demande très forte de panneaux photovoltaïques justifiée par une volonté mondiale de réduction des émissions de CO2, et enfin des investissements colossaux dans les usines de production des semi-conducteurs, et en particulier du silicium, et de fabrication de cellules et modules. Par ailleurs, alors même que la cellule photovoltaïque en fonctionnement produit de l’électricité sans aucun rejet dans l’atmosphère, beaucoup de procédés actuels de fabrication mettent en jeu trop de matériaux critiques (métaux nobles, Pb…) ou des opérations qui nécessitent l’usage de produits chimiques, des gaz toxiques et des traitements énergivores.
Cet article présente les différentes filières d’élaboration du dispositif photovoltaïque en se concentrant sur les matériaux utilisés et les technologies associées. Les procédés de fabrication des composants photovoltaïques, fortement liés aux matériaux absorbants le rayonnement (semi-conducteurs inorganiques, polymères…) pour la conversion seront détaillés et plusieurs verrous d’ordres technologiques et écologiques restant encore à lever seront mentionnés. Les rendements de conversion actuels et potentiels des composants photovoltaïques seront présentés et commentés.
L'expertise technique et scientifique de référence
MOTS-CLÉS
semi-conducteur Silicium cellule solaire cellule en couche mince inorganique cellule en couche mince organique cellule en couche mince hybride
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2007 par Jean-Claude MULLER
- Version archivée 2 de janv. 2013 par Abdelilah SLAOUI
- Version archivée 3 de avr. 2016 par Abdelilah SLAOUI
- Version archivée 4 de nov. 2019 par Abdelilah SLAOUI
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Filières technologiques
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1. Options et perspectives
La recherche sur les cellules solaires continue d’améliorer l’efficacité des cellules solaires, avec des objectifs visant à atteindre la limite actuellement acceptée de 29-30 %. Les résultats de l’efficacité des cellules solaires produites commercialement ont quelques années de retard sur les résultats de l’efficacité des cellules produites en laboratoire. Des modules d’une efficacité supérieure à 22 % sont désormais disponibles dans le commerce. Pour un coût de module donné, les modules plus efficaces sont également plus rentables, car moins de coûts supplémentaires (tels que la surface au sol, les coûts de câblage, etc.) sont nécessaires pour générer la même quantité d’énergie. En fin de compte, cela signifie que plus un module photovoltaïque est efficace, et donc plus i rentable, plus l’énergie photovoltaïque sera une source d’électricité attrayante pour les utilisations domestiques et industrielles. L’impact de l’efficacité des modules sur le coût de l’électricité est illustré figure 1.
Ainsi, avec des modules plus efficaces, le coût par unité de surface peut être beaucoup plus élevé pour un objectif donné de coût de l’électricité en kilowattheures (kWh). Par exemple, pour atteindre l’objectif proposé de 6 cents/kWh avec des modules d’un rendement de 10 %, il faut que les coûts des modules soient inférieurs à 10 $/m2. Avec des modules d’une efficacité de 20 %, il est encore possible d’atteindre l’objectif proposé avec des modules de 75 $/m2. Les objectifs de recherche actuels visent à atteindre environ 3 cents/kWh.
Concernant les technologies de cellules/modules photovoltaïques, pour simplifier, on considère qu’il y a trois générations.
La première génération utilisant des plaquettes en silicium montées en module est actuellement mature, et les progrès concernent au niveau matériau la réduction du coût de la matière première (silicium charge et/ou épaisseur des plaquettes), au niveau de la cellule via la réduction des pertes optiques et électriques, l’amélioration des effets de passivation, la diminution du nombre d’étapes de leur fabrication (via l’automatisation par exemple) et au niveau module via l’architecture d’assemblage (verre/verre par exemple) et les pertes ohmiques de connexion. Grâce au coût du watt-crête qui a énormément baissé ces dix dernières années,...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GOETZBERGER (A.), LUTHER (J.), WILLEKE(G.) - Proc. 12th Int’I PVSEC Conf., Jeju, Korea - , p. 5 (2001).
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(2) - World Energy Outlook 2018, - International Energy Agency, ISBN 978-92-64-12413-4 (2011).
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(3) - WOLDEN (C.A.) et al - * - J. Vac. Sci. Technol., A29, p. 3 (2011).
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(4) - GREEN (M.A.), WANG (A.), ZHENG (G.F.), ZHANG (Z.), WENHAM (S.R.), ZHAO (J.), SHI (Z.), HONSBERG (C.B.) - * - Proc. 12th EC PVSEC Amsterdam, p. 776 (1994).
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(5) - ROHATGI (A.), YELUNDUR (V.), JEONG (J.), RISTOW (A.), EBONG (A.) - 10th Workshop on crystalline Silicon Solar Cell Materials and Process (CO), p. 12 - , août 2000.
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(6) - TAGUCHI (M.) et al - HIT cells-high efficiency crystalline Si cells with novel structure. - Prog....
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (EU/PVSEC) http://www.photovoltaic-conference.com
IEEE Photovoltaic Specialist Conference (IEEE PVS) http://www.ieee-pvsc.org
European Materials Research Society Conference (E-MRS)
Journées nationales sur le Photovoltaïque (JNPV)
Journées nationales de l’Énergie solaire (JNES)
HAUT DE PAGE
http://www.photovoltaique.info/Normes-et-guides-des-circuits.html
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