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RÉSUMÉ
Cet article présente les méthodes qui reposent sur l’utilisation de nanostructures pour augmenter les performances de cellules photovoltaïques inorganiques. L’optimisation des performances optiques par des mécanismes de piégeage de lumière et d’effets plasmoniques est abordée, tout comme l’optimisation des performances électroniques, qui passe notamment par l’ingénierie des niveaux électroniques de la cellule solaire pour favoriser le transport et la collecte de charges photogénérées. Enfin, des éléments contextuels sont exposés afin de relier ces aspects technologiques avec les aspects historiques, environnementaux et économiques.
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This article presents methods that rely on the use of nanostructures to increase the performance of inorganic photovoltaic solar cells. The optimization of optical performance by light trapping mechanisms and plasmonic effects is discussed, as well as the optimization of electronic performance, which includes the engineering of the electronic levels of the solar cell to enhance the transport and collection of photogenerated charges. Finally, contextual elements are presented in order to link these technological aspects with historical, environmental and economic aspects.
Auteur(s)
-
Clément REYNAUD : PhD - Projet Celsius, Marseille, France
INTRODUCTION
L’électricité photovoltaïque est unanimement considérée comme l’un des piliers de la transition énergétique nécessaire à la mitigation du changement climatique. En France, les différents rapports de projection sur le mixte électrique possible à l’horizon 2050 font ainsi état de proportions d’électricité photovoltaïque dans la production totale d’électricité allant de 13 à 36 % contre 2,8 % en 2020. Plusieurs leviers sont disponibles pour favoriser son développement, dont deux principaux :
-
la réduction des coûts par effet d’échelle sur la production de technologies déjà matures ;
-
l’optimisation des performances des panneaux solaires qui, à production électrique constante, permettent une empreinte au sol des installations solaires plus faible, et donc des coûts financiers et environnementaux réduits.
Dans cet article, nous nous intéresserons tout particulièrement au second levier, par le biais des méthodes de conception de cellules photovoltaïques impliquant des nanostructures.
Que ce soit pour augmenter la quantité d’énergie solaire absorbée par la cellule solaire (optimisation optique) ou pour augmenter la quantité d’électricité produite à partir de la lumière absorbée (optimisation électronique), les nanostructures sont au centre de l’interaction lumière-matière qui régit les performances des dispositifs photovoltaïques.
Au-delà de ces considérations optoélectroniques, il est de plus possible de mettre à profit les propriétés des nanostructures pour d’autres usages, comme c’est le cas pour la conception de cellules photovoltaïques dites « autonettoyantes » qui permettent de limiter les coûts d’entretien habituellement nécessaires au maintien d’une production électrique optimale.
Enfin, la mise en place d’une technologie à grande échelle industrielle a des conséquences environnementales et il convient d’y être vigilant, tout particulièrement lorsque les effets sanitaires à long terme sur l’humain des nanocomposés sont encore mal connus.
L’objectif de cet article est donc d’offrir une vue d’ensemble de la problématique des nanostructures appliquées aux cellules solaires photovoltaïques inorganiques telles qu’elles existent déjà dans l’industrie ainsi que telles qu’elles sont développées en laboratoire. Cette approche technique est complétée par un contexte historique, économique et environnemental afin de proposer un éclairage plus complet de la situation.
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KEYWORDS
photovoltaic | energy | nanostructures | light trapping
VERSIONS
- Version archivée 1 de août 2010 par Abdelilah SLAOUI
DOI (Digital Object Identifier)
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Conclusion7. Contexte économique et ressources
La question des matières premières, de leur accessibilité et de leur prix est particulièrement changeante, et il est difficile de décrire une tendance générale. Par exemple, le silicium dont sont faits plus de 95 % des panneaux solaires mis sur le marché actuellement est le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre. Il n’en demeure pas moins qu’il a été inscrit sur la liste des matières premières dites « critiques » par l’Union européenne en 2020 car l’ampleur de la transition énergétique en cours et à venir fait craindre des problèmes d’approvisionnement qui ont beaucoup plus à voir avec la difficulté d’organiser une production industrielle à cette échelle aussi rapidement qu’avec la quantité des réserves disponibles. D’autres métaux rares comme l’indium, présent dans certaines cellules solaires en couches minces, sont inscrits sur cette liste pour des raisons opposées : la quantité de ressources disponibles sur Terre est bien plus faible que pour le silicium, mais la demande est moins critique car ils ne concernent que moins de 4 % de la production mondiale de cellules solaires.
En ce qui concerne les nanotechnologies abordées ici, on remarque que les méthodes déjà appliquées à l’échelle industrielle sont celles qui ne reposent pas sur des matériaux critiques ou coûteux. Par exemple, les méthodes de texturation de surface ne font pas intervenir de métaux rares, les couches minces non plus. À l’inverse, les méthodes plasmoniques ont systématiquement recours à des métaux coûteux comme l’or, l’argent ou le platine, car ce sont eux qui ont les meilleures propriétés physiques. Cependant, les quantités en jeux sont infimes, et la difficulté de transfert industriel de ces méthodes s’explique plutôt par le défi que représentent leur reproductibilité et leur rentabilité.
À l’échelle mondiale, les coûts de production des panneaux solaires en silicium ont rapidement chuté au cours des années 2010 et, combiné avec l’augmentation de la taille des centrales photovoltaïque, le prix de l’électricité...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - Climate Watch - Washington, D.C. - World Resources Institute. Available at : https://www.climatewatchdata.org/ghgemissions ?breakBy=sector&end_year=2018&start_year=1990 (2019).
-
(2) - ADEME - Documentation spécifique des facteurs d’émissions de la Base Carbone®. - Base Carbone Version 17, p. 398 (2019).
-
(3) - IEA - World Energy Outlook 2021. - Revised version (2021).
-
(4) - FO, F.I. & SYSTEMS - * - . – R. S. E. Photovoltaics Report (2021).
-
(5) - REYNAUD (C.A.), LECHÈNE (P.B.), HÉBERT (M.), CAZIER (A.), ARIAS (A.C.) - Evaluation of indoor photovoltaic power production under directional and diffuse lighting conditions for energy harvesting applications. - Sol. Energy Mater. Sol. Cells 200 (2019).
-
(6) - SHOCKLEY (W.), QUEISSER...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Article L. 523-1 du Code de l’environnement portant sur la déclaration obligatoire de l’utilisation de nanomatériaux.
HAUT DE PAGE
Method for randomly texturing a semiconductor substrate US9941445B2
HAUT DE PAGE3.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Déclaration des substances à l’état nanoparticulaire sur le site du ministère de la Transition écologique :
HAUT DE PAGE3.2 Laboratoires (France et Europe)
Fraunhofer Institute für Solar Energie (Freiburg, Allemagne) :
https://www.ise.fraunhofer.de/
Institut photovoltaïque d’Île-de-France...
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Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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