L'énergie photovoltaïque

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L'énergie photovoltaïque désigne la transformation d'un rayonnement lumineux en électricité. Cette énergie d'origine solaire est une énergie renouvelable. Elle fut utilisée à l'origine pour alimenter en électricité les téléphones installés en zones isolées, mais elle se développera principalement grâce à l'industrie spatiale. L'énergie photovoltaïque s'est depuis largement démocratisée pour s'installer sur nos toits et devenir l'une des énergies alternatives de demain.

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Histoire

L'histoire de l'énergie photovoltaïque commence au XIXe siècle, le siècle de la révolution électrique. Alessandro Volta crée la pile électrique (1800)[1], en 1827 le hongrois Ányos Jedlik réalise la première dynamo[2]. En 1879, Thomas Edison présente sa première ampoule électrique à incandescence[3] et construit le premier réseau électrique urbain en courant continu (1882)[4]. Voyant ici un marché porteur, l'industriel George Westinghouse avec l'aide de l'ingénieur Nikola Tesla, développe un autre réseau électrique en 1886, mais cette fois-ci en courant alternatif[5].

Antoine César Becquerel découvre le principe photovoltaïque en 1839.

La révolution électrique se fait aussi par la découverte de l'énergie photovoltaïque. En 1839, Antoine César Becquerel (le grand-père d'Henri Becquerel), découvre le principe photovoltaïque. Le physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz le comprit et présenta l'effet photovoltaïque en tant que tel en 1887. Mais c'est Albert Einstein qui, le premier, a pu expliquer le principe photovoltaïque, avec à la clef, le prix Nobel de physique en 1921[6].

Malgré les nombreux avantages de cette énergie propre, le XXe siècle fait place à l'énergie thermique tirée du pétrole. Le pétrole est abondant, très bon marché, il est considéré comme une matière première stratégique, à l'origine de la géopolitique du pétrole. Ainsi, le solaire ne séduit plus, les projets et les découvertes se font plus rares.

La technologie photovoltaïque se développe à petits pas. En 1954, des chercheurs américains (Chapin, Fuller, Pearson et Prince) travaillant pour les laboratoires Bell Telephone développent une cellule photovoltaïque à haut rendement de 6 % dans le but d'alimenter les téléphones situés dans des zones isolées. Cependant la technologie coûte encore trop chère pour se généraliser[7].


Vanguard 1, le premier satellite doté de cellules solaires

Malgré son coût, la recherche spatiale dope la recherche dans le domaine photovoltaïque. Une cellule avec un rendement de 9% est mise au point 4 années plus tard et le premier satellite doté de cellules solaires, Vanguard 1 est envoyé dans l'espace le 17 mars 1958[8].

Il faut attendre 1973 et le premier choc pétrolier pour que les gouvernements décident de varier leurs sources d'énergie. On accentue la recherche dans les énergies alternatives. Dans la même année, la première maison avec une installation photovoltaïque voit le jour à l'université de Delaware aux États-Unis.

En 1983, l'australien Hans Tholstrup parcourt 4 000 km avec "Quiet Achiever", la première voiture solaire. Il fonde en 1987 le "World Solar Challenge", la première course de voitures solaires. Suite aux prises de conscience écologique et au renchérissement des énergies fossiles du XXIe siècle, les politiques en faveur des énergies renouvelables se sont accentuées sur les 5 continents.

Principe

L'énergie photovoltaïque est obtenue à l'aide d'un capteur appelé cellule solaire ou photopile. Ces capteurs sont composés de matériaux semi-conducteurs qui ont la particularité de libérer des électrons sous un apport d'énergie. Dans le cas de l'énergie photovoltaïque, ce sont les photons (particules de lumières) qui apportent cette énergie nécessaire aux électrons pour se libérer et se déplacer dans la matière, il y a donc création d'un courant électrique. Ce phénomène est appelé la photoconductivité.

Le semi-conducteur utilisé pour les cellules solaires est principalement du silicium, le même matériau utilisé pour les circuits intégrés. Le principal avantage est qu'il est disponible en quantité quasi-illimitée, puisqu'il est présent dans le sable sous forme de silice et de silicates. On estime que près de 26% de la masse de la croûte terrestre est constituée de silice[9].

Tous les types de cellules solaires possèdent une architecture commune. Elle est constituée d'une tranche de matériau semi-conducteur coincée entre deux électrodes métalliques (+) et (-) pour collecter le courant produit par la libération des électrons. Ces électrons circulent de l'électrode (-) vers l'électrode (+) grâce à une différence de potentiel entre ses bornes: la dissymétrie électrique. La différence de potentiel est obtenue par le dopage des parties avant et arrière de la tranche du matériau semi-conducteur:

  • sur la première face, un dopage de type p (positif), par l'association d'atomes de bore (B), contenant moins d'électrons périphériques par atome que le silicium;
  • sur l'autre face, un dopage de type n (négatif), par l'association d'atomes de phosphore (P), contenant plus d'électrons périphériques par atome que le silicium.

Les différentes technologies:

L'énergie photovoltaïque est obtenue à l'aide de capteurs appelés cellules solaires ou photopiles. Il existe plusieurs technologies de cellules solaires, mais toutes sont composées de matériaux semi-conducteurs. Le principal matériau semi-conducteur utilisé est le silicium. Trois technologies utilisent ce matériau:

De façon plus marginale, certaines cellules sont composées d'un autre matériau semi-conducteur comme le tellurure de cadmium (Cd Te) ou le diséléniure de cuivre et d'indium (CIS).


La cellule au silicium amorphe

Rouleaux de cellules amorphes

La cellule au silicium amorphe est constituée d'un silicium ayant une structure atomique désordonnée, c'est à dire non-cristallisé. Ce matériau absorbe la lumière beaucoup plus qu'un silicium cristallin. Il fait partit de la technologie "couche mince" qui consistent à déposer sous vide sur un substrat (verre, métal, plastique, …) une fine couche uniforme composée d’un et plus souvent de plusieurs matériaux réduits en poudre. Les cellules sont gris foncé.

Avantages:

  • peut être appliquée sur une surface importante (4 voire 6 m2), et peut être ensuite découpés;
  • peut être utilisée sur des modules courbes ou souples;
  • peu sensible à l'échauffement autour de 60°C;
  • fonctionne à un très faible niveau de luminosité (à partir de 20 lux);
  • fabrication en principe moins onéreuse.

Inconvénients:

  • rendement bien inférieur à celui du silicium cristallin (entre 5% et 7% dans le commerce)[10];
  • industrialisation encore peu développée par rapport aux technologies cristallines;
  • baisse de rendement dès les premières semaines d'exposition.


La cellule au silicium monocristallin

Cellule au silicium monocristallin

La cellule au silicium monocristallin est constituée d'un silicium formé d'un seul cristal ordonné. Ce matériau est obtenu directement d'un germe ou recristallisé à haute température sous forme d'un lingot. Il est ensuite découpé en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme.

Avantages:

  • son rendement est très bon (15 à 20% dans le commerce, 25% en laboratoire)[11];
  • bon ratio Wc/m2 (~150 Wc/m2) ce qui permet un gain de place si nécessaire;
  • nombre de fabricants élevé.

Inconvénients:

  • fabrication plus délicate et donc plus coûteuse;
  • rendement faible sous un faible éclairement (plage d'utilisation: 100 à 1000 W/m2);
  • sensible à l'échauffement, forte baisse de rendement autour de 60°C.

La cellule au silicium multicristallin

Cellule au silicium multicristallin

La cellule au silicium multicristallin (ou polycristallin) est constituée de cristaux de 1mm à environ 2cm assemblés, appelé "grains". La multitude de cristaux se forme pendant le refroidissement du silicium dans la lingotière. La cellule photovoltaïque est d'aspect bleuté, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux.

Avantages:

  • les cellules peuvent être de forme carrée (à coins arrondis pour le monocristallin) permettant un meilleur foisonnement dans un module;
  • bon rendement de conversion (12-16% dans le commerce, 20% en laboratoire)[12];
  • lingot moins cher à produire que le monocristallin.
  • nombre de fabricants élevé.

Inconvénients:

  • rendement faible sous un faible éclairement (plage d'utilisation: 200 à 1000 W/m2);
  • sensible à l'échauffement, forte baisse de rendement autour de 60°C.

Les autres technologies

Les cellules sont faites aussi avec d'autres matériaux comme l'arséniure de gallium (GaAs), le tellurure de cadmium (Cd Te) ou le diséléniure de cuivre et d'indium (CIS) qui ont l'avantage d'absorber fortement la lumière, mais leur manipulation est difficile et certains matériaux comme le cadmium pose des problèmes de toxicité.


Arséniure de gallium (GaAs)

Système à concentration Zenith Solar utilisant des cellules à base d'arséniure de Gallium

Ce matériau possède un très haut rendement, mais reste très onéreux du fait des éléments utilisés. Il est utilisé dans le domaine spatial ou sur des systèmes à concentration.

Avantages:

  • très haut rendement (> 25% dans le commerce, 40% en laboratoire)[13]
  • peu sensible à la chaleur


Inconvénients:

  • prix très élevé
  • nécessite un dispositif de concentration (lentille de Fresnel) et de suivi du soleil (tracker)


Tellurure de cadmium (CdTe)

Panneau solaire First Solar à base de tellurure de cadmium
Panneau solaire Solar Frontier à base de diséléniure de cuivre et d'indium

Ce matériau absorbe très bien la lumière et peut être déposé en couches minces. Cependant son rendement reste encore assez faible et la toxicité du cadmium pose un problème une fois la cellule en fin de vie.

Avantages:

  • peu coûteuse (0,98 $/W)
  • bonne performance en cas de faible luminosité
  • moins sensible à la chaleur que le silicium

Inconvénients:

  • toxicité du cadmium
  • rendement moyen (7-9% dans le commerce, 16,5% en laboratoire)[14]


Diséléniure de cuivre et d'indium

Ce matériau est déposé sur la cellule en couche mince par des méthodes chimiques ou par un dépôt sous vide, sur une couche de sulfure de cadmium (Cd S). Cependant la toxicité du cadmium pose un problème une fois la cellule en fin de vie.

Avantages:

  • bonne résistance dans le temps
  • bon rendement (12-13% dans le commerce, 20,3% en laboratoire)[15]

Inconvénients:

  • toxicité du cadmium
  • peu de ressources d'indium sur terre[16]


Cellules multijonctions (matériaux III-V)

Les cellules multijonctions sont composées d'un grand nombre de semi-conducteurs (GaAs, Ge, GaInP2...), absorbant chacun dans un spectre limité. Cette technologie permet de dépasser le plafond théorique du rendement d'une cellule photovoltaïque au dessus de 33,5%, appelé « limite de Shockley-Queisser ».

Avantages:

  • très bon rendement (31,8% dans le commerce, 44,7% en laboratoire)[17]

Inconvénients:

  • Coût élevé
  • peu de ressources d'indium sur terre[18]


Cellules organiques

Les cellules organiques sont composées de molécules organiques pour transformer la lumière en électricité.

Il en existe principalement de trois types :

  • Les cellules photovoltaïques organiques moléculaires
  • Les cellules photovoltaïques organiques à base de polymères
  • Les cellules photovoltaïques hybrides

Avantages:

  • facilité de la fabrication
  • coût faible

Inconvénients:

  • rendement bas (11,1% en laboratoire)[19]
  • durée de vie faible


Cellules à particules quantiques

Les cellules à particules (ou points) quantiques sont des cellules composés d'un nanocristal semi-conducteur. Les particules quantiques ont l’avantage d’avoir une largeur de bande qui peut être réglée en changeant simplement la taille des nanoparticules, de sorte qu’ils peuvent facilement être conçus pour absorber les différentes parties du spectre solaire.

Avantages:

  • fort potentiel
  • matériaux non toxiques

Inconvénients:

  • rendement bas (8,6% en laboratoire)[20]


Cellules Cuivre Zinc Étain Soufre et Sélénium (CZTS)

Les différentes couches d'une cellule CZTS - NREL

La cellule CZTS est composé d'un absorbant fait de cuivre, de zinc, d’étain, de soufre et de sélénium, de formule Cu2ZnSn(S,Se)4. L’ajout d’un autre semi-conducteur dopé n est requis pour former une hétérojonction, comme pour les cellules CIGS. Cette technologie à l'avantage de n'utiliser que d’éléments courants et non toxiques [21]

Les couches d'une cellule CZTS sont les suivantes :

  • un verre de protection ;
  • une couche conductrice transparente d’oxyde de zinc intrinsèque (elle est parfois précédée d’une couche de ZnO dopée à l’aluminium, de 400 nm d’épaisseur) ;
  • une couche de sulfure de cadmium (CdS) ou d’un composé mixte comprenant du zinc, de l’oxygène, du soufre et des hydroxydes Zn(S,O,OH). D’une épaisseur de 70 nm, ils sont naturellement dopés n ;
  • la couche de CZTS (épaisseur d’environ 1,5 µm) ;
  • un conducteur inférieur, généralement du molybdène (épaisseur de 300 nm) ;
  • un substrat.

Avantages:

  • utilisation de matériaux courants
  • matériaux non toxiques

Inconvénients:

  • rendement moyen (12,6% en laboratoire)[22]


Cellules à colorants

Les [Cellule à colorant|cellules à colorants], dites cellules de Grätzel sont des cellules mixtes organiques-inogarniques, constituées d'une matrice poreuse de TiO2 imprégnée de colorant et d'un électrolyte liquide.

Avantages:

  • utilisation de matériaux courants
  • matériaux non toxiques

Inconvénients:

  • rendement faible (3 à 5% dans le commerce, 11,9% en laboratoire)[23]


Cellules pérovskite

La cellule pérovskite est un type de cellule solaire qui comprend un composé à structure de pérovskite (CaTiO3 - titanate de calcium).

Avantages:

  • fabrication bon marché

Inconvénients:

  • bon rendement (20,1% en laboratoire)[24]

Les applications

Les centrales photovoltaïques

La plus grande centrale solaire photovoltaïque au monde en activité dans l'état de l'Arizona, États-Unis

De nos jours l'électricité est produite en masse par des centrales thermiques ou nucléaires. En vue du développement durable, il est très intéressant d'envisager une installation photovoltaïque sous les tropiques. Notamment pour les Antilles, la Réunion et toute autre région très dépendante du pétrole, ou d'autres formes d'énergies fossiles, pour son alimentation en électricité. Cependant de telles installations nécessitent un amortissement sur le long terme (au-delà de 15 ans), mais les aides mises en place par les États européens pour subventionner les installations et le tarif d'achat de l'électricité « verte » permettent à un système photovoltaïque raccordé au réseau d'être amorti en moins de 10 ans et permettront à la recherche et à l'industrie de développer des modules photovoltaïques moins chers et avec un meilleur rendement.

Une centrale solaire photovoltaïque est constituée d'un ensemble de modules solaires photovoltaïques reliés en série ou en parallèle et branchés sur un ou plusieurs onduleur(s). Les centrales solaires sont de grand puissance et installées sur des zones dédiées, à l'opposé des systèmes solaires photovoltaïques autonomes (alimentation des habitations isolés, des refuges..) ou des systèmes solaires décentralisé raccordé au réseau (installé sur des bâtiments à des puissances généralement inférieur à 1MWc). Ce système produit de l'électricité qui est envoyée sur le réseau.

Les centrales solaires photovoltaïques ont l'avantage de pouvoir être construite n'importe où tant qu'il y a un réseau électrique à proximité. Ainsi elles peuvent être construite sur des zones non habitables, comme les zones désertiques, et posséder par exemple de dispositifs suntrackers pour suivre la course du Soleil. Ces dispositifs facilitent également la combinaison de systèmes à concentration et optimisent ainsi l'utilisation par exemple de panneaux solaires à base d'arséniure de gallium. La puissance des centrales varie en général de 1MWc à plusieurs dizaines de MWc.

La liste suivante montre les plus grandes centrales photovoltaïques au monde. La liste complète des centrales solaires photovoltaïques est tenue à jour régulièrement sur le site pvresources.com.

Puissance (MW crête) Localisation Description Production (MWh/an)
250 MW Agua Caliente Solar Project, États-Unis 5 200 000 modules First Solar sur 960 hectares 626 GWh, mise en service depuis décembre 2011
214 MW Charanka, Inde 2000 hectares mise en service en décembre 2010
200 MW Golmud, Chine 564 hectares 317 GWh, mise en service en octobre 2011


Aujourd'hui, les centrales solaires photovoltaïque se comptent par centaines, malgré cela les projets en cours se multiplient.

Loin des centrales de quelques dizaines de MW, le leader américains de panneaux solaires First Solar, spécialisé dans la technologie des panneaux à base de tellure de cadmium (CdT) envisage de construire deux centrales d'une puissance totale de 550 MW[25]. La compagnie d’énergie californienne Southern California Edison sera chargée de son exploitation. La première baptisée Desert Sunlight sera construite à partir de 2012 près de Deser Center (Riversy County) et aura une puissance de 250 MW. La deuxième baptisée Stateline d'une puissance de 300MW sera construite l'année d'après au nord de San Bernardino County. Les deux centrales devraient être achevées pour 2015.

Encore plus ambitieux, un projet de production électrique d'origine solaire d'une puissance de 2 000 mégawatts, représentant un investissement de 9 milliards de dollars, a été présenté en novembre 2009 par le roi Mohammed VI[26]. Le projet se décompose en cinq sites, qui devraient être opérationnels en 2020 : Ouarzazate, Laâyoune, Boujdour, Tarfaya et Ain Beni Mahtar. Chaque site devrait accueillir une puissance allant de 100 à 500 MW. L'ensemble représenterait une superficie de 10.000 hectares et une puissance installée de 2000 MW. A titre de comparaison, la puissance d'un réacteur EPR est estimée à approximativement 1500 MW.

Dans le même ordre, et au même moment (novembre 2009), First Solar a signé lors du sommet présidentiel Chine-Etats-Unis un accord de coopération avec le gouvernement chinois pour la réalisation d'une centrale de 2 gigawatts (GW) à la ville d'Ordos, en Mongolie Intérieure[27]. La centrale devrait être construite en plusieurs phases à commencer par les 30MW de la Phase 1. Les phases 2, 3 et 4 devraient compter respectivement 100MW, 870MW, et 1,000MW. Les phases 2 et 3 devraient être achevées en 2014 et la Phase 4 en 2019.

Les appareils portables

L'un des derniers appareils portables solaires: Sol

L'avantage de l'énergie photovoltaïque est le fait de produire de l'électricité n'importe où sur Terre tant qu'il y a du soleil. Elle devient ainsi l'une des sources d'énergie les plus commodes à transporter. Les appareils portables solaires doivent fonctionner même s'il n'y a pas de soleil. La plupart du temps, les cellules photovoltaïques ne fournissent pas directement l'électricité à l'appareil, mais chargent des batteries qui alimentent l'appareil par la suite.

Ainsi un appareil portable est généralement constitué:

  • d'une ou plusieurs cellules
  • d'un système de régulation de charge/décharge (selon la qualité du produit)
  • d'une batterie

Les technologies utilisées pour les cellules solaires sont en général celles en "couche mince" (Silicium amorphe, tellurure de cadmium,...) puisqu'elle doit résister à n'importe quelle manipulation, à l'inverse des cellules à base de silicium cristallin qui sont très cassantes. Parmi les appareils portables, nous avons ceux où les cellules sont directement intégrées au système et les autres qui deviennent des appareils solaires par l'ajout d'un chargeur doté de cellules photovoltaïques.

Parmi ces appareils portables solaires, nous trouvons:

  • la calculatrice solaire;
  • la montre solaire;
  • la radio solaire;
  • l'ordinateur portable solaire (Sol);
  • les jouets ou gadgets solaires;
  • les chargeurs solaires.

Les structures ou habitats isolés

Certaines structures où habitats sont difficiles d'accès et donc onéreux à raccorder au réseau électrique; ce qui est le cas en montagne ou dans les îles. Dans ces cas-là, il est plus avantageux d'opter pour une installation solaire autonome, dite Stand-Alone System.

L'utilisation d'une installation solaire autonome consiste à utiliser l'électricité produite directement ou en la stockant dans des batteries.

Schéma d'une installation solaire autonome

Cette installation est constituée des éléments suivants:

  • un ou plusieurs panneau(x) photovoltaïque(s);
  • un régulateur solaire;
  • une ou plusieurs batteries d'accumulation;
  • un onduleur (seulement pour obtenir du courant alternatif).


Le principal avantage de ce système est qu'il est dans certains cas moins onéreux qu'un raccordement électrique, mais l'électricité photovoltaïque permet aussi de disposer d'une source d'énergie fiable sans maintenance. Plusieurs structures ont profité de ce système:

  • les relais de communications;
  • la signalisation routière, ferroviaire, maritime et aérienne;
  • la téléphonie de secours;
  • les petites stations météorologiques;
  • la sécurité de zones isolées;
  • les stations de pompage (pays en développement, agriculture...);
  • les systèmes de purification d'eau;
  • les équipements urbains (éclairage, horodateurs...).

Les structures ou habitats raccordés au réseau

Schéma d'une installation solaire raccordée au réseau

Lorsque cela est possible, les panneaux photovoltaïques peuvent être raccordés au réseau électrique. Ce système permet de produire une énergie qui sera entièrement récupérée, puisque le réseau se comporte comme un stockage illimité.

Une installation photovoltaïque raccordée au réseau comporte deux compteurs électriques: un pour l'énergie sortante (produite par les panneaux photovoltaïques), un autre pour l'énergie entrante (celle du réseau). Le courant produit n'est pas directement consommé mais est en général entièrement injecté sur le réseau au travers d'un onduleur.

Cette installation est composée des éléments suivants:

  • un ou plusieurs panneau(x) photovoltaïque(s);
  • un onduleur;
  • un compteur électrique pour l'énergie sortante;
  • un compteur électrique pour l'énergie entrante.
 

Les tarifs d'achat de l'électricité photovoltaïque

EDF et des régies locales (ELD) ont l'obligation de racheter l'électricité produite à un prix plus élevé que le tarif EDF de base (10,78 à 11,25 c€/kWh selon la puissance souscrite[28]):

Le tarif d'achat de l'électricité photovoltaïque varie essentiellement en fonction de la puissance de l'installation et de son mode d'intégration au bâti.


Tarifs d'achat en vigueur du 01/07/2016 au 30/09/2016[29]
Type d'installation Tarif d'achat
Intégration au bâti [0-9kWc] 24,29 c€/kWh
Intégration simplifiée au bâti [0-36kWc] 12,72 c€/kWh
[36-100kWc] 12,13 c€/kWh
Tout type d'installation [0-12 MWc] 5,65 c€/kWh


Depuis le 12 mars 2014, les installations dont les panneaux sont fabriqués en Europe ne bénéficient plus de la bonification du tarif d'achat suite à l'adoption de l'arrêté par le Conseil Supérieur de l'Energie a adopté le projet d'arrêté qui met fin à la majoration tarifaire pour les installations dont les panneaux sont fabriqués en Europe.[30]

Le domaine spatial

Le domaine spatial est peut être l'acteur principal dans le développement de la technologie photovoltaïque comme nous la connaissons aujourd'hui. Lorsque les premières cellules photovoltaïques ont été créées, personne n'en voulait car elles étaient trop chères. Cependant le domaine spatial a vu dans ces cellules une solution adaptée pour alimenter les satellites et a ainsi contribué à la recherche et à l'émergence de cette technologie.

Hors de l'atmosphère, le rayonnement solaire est en moyenne 45% plus important qu'à la surface de la Terre. Il correspond à celui de la constante solaire qui est d'environ 1367 W/m2. En réalité la puissance varie continuellement compte tenu de la légère excentricité de l'orbite terrestre[31].

Trajectoire d'un satellite en orbite basse

Le premier satellite envoyé dans l'espace doté de panneaux solaires est Vanguard 1. Il a été mis en orbite le Le 17 mars 1958. Vanguard 1 est composé de 6 cellules photovoltaïques qui permettent d'alimenter un émetteur de 5 mW. Le satellite a arrêté d'émettre en mai 1964; il est actuellement suivi par les radars du NORAD[32] ou, à l'occasion, grâce à des moyens optiques depuis la Terre.


De nos jours, la puissance des satellites a été largement augmentée pour atteindre des puissances du kilowatt à la dizaine de kilowatts selon leur mission. Les satellites de communications ayant besoin de plus d'énergie que les satellites de type télescope qui sont dotés d'instruments passifs[33].


Cependant, les panneaux photovoltaïques n'assurent pas une vie illimitée à leur satellite. Les satellites en orbite basse (250km à 2000km) passent dans l'ombre de la terre près de 5000 fois par an ce qui use très rapidement les batteries nécessaires au fonctionnement en continu du satellite. Ce phénomène limite la durée de vie de ce type de satellite à 5 ans environ. On retrouve le même phénomène pour les satellites géostationnaires qui sont situés en orbite haute (36 000km). Cependant, ils passent dans l'ombre de la Terre seulement deux fois par an lors des équinoxes. Les cycles de charges et décharges des batteries sont donc négligeables et ne réduisent donc pas l'allongement de la durée de vie qui est typiquement de 10 à 15 ans[34].

La recherche

La technologie photovoltaïque est encore à ses débuts et les politiques environnementales favorisent la recherche dans ce domaine. Les efforts de recherche sont généralement concentrés dans la baisse de prix de revient de l'électricité. La première piste vise à utiliser des matériaux alternatifs au silicium, la deuxième réside dans l'invention de nouveaux procédés de fabrication. Une dernière piste de recherche tend à baisser les coûts du système par l'amélioration des onduleurs, du stockage d'énergie et par le développement de produits adaptés à l'intégration au bâti.

Les matériaux de demain

L'utilisation du silicium a vite atteint ses limites en termes de performance. Malgré cela, les sociétés de fabrication annoncent périodiquement de meilleurs rendements grâce à l'utilisation de nouveaux matériaux ou concept; tour d'horizon:

Les nouveaux matériaux
Technologie Matériaux utilisés Principe Rendements
Les cellules polymères organiques et inorganiques Polythiophène, Fullerène, Polyfluorène,... Les cellules polymères font intervenir les différentes orbitales moléculaires, certaines jouant le rôle de bande de valence, d'autres de bande de conduction, entre deux espèces moléculaires distinctes, l'une servant de donneur d'électrons et l'autre d'accepteur. 6%[35]
Les cellules Grätzel Oxyde d'étain dopé au fluor SnO2•F, oxyde de titane TiO2 imprégnée de polypyridine au ruthénium, électrolyte iodure/triiodure (I/I3) Il s’agit d’un système photoélectrochimique inspiré de la photosynthèse végétale constitué d’un électrolyte donneur d’électron (analogue à l’eau dans la photosynthèse) sous l’effet d’un pigment excité par le rayonnement solaire (analogue à la chlorophylle) 15% en laboratoire[36], 3% à 5% commercialement
Les cellules transparentes Oxyde d'étain à l'indium, phosphore,oxyde de zinc, nitrogène[37] Les cellules transparentes fonctionnent de la même manière que les cellules silicium à la différence que les couches donneur et accepteur d'électrons sont réalisés à l'aide de matériaux transparents. non connu

Les nouveaux procédés

  • Des cellules CGIS seront produites industriellement et en continu par « NanoSolar » via une technique d'imprimerie. Rendement de 16% commercialement, 20% en laboratoire[38].
  • Une autre alternative au sciage développée par « Evergreen Solar » est le procédé String-Ribbon. Il consiste à faire passer de longs fils dans du silicium fondu de manière à obtenir un long ruban de silicium[39].


L'amélioration des systèmes

  • Amélioration du rendement énergétique pour les onduleurs photovoltaïques. Le record actuel est détenu par les chercheurs de l'Institut Fraunhofer des systèmes énergétiques solaires ISE en atteignant un rendement de 99%[40].
  • Intégration de micro-onduleur au module photovoltaïque[41].

États des lieux

En France

La part de l'électricité d'origine photovoltaïque produite en France reste encore très marginale (0,91% en 2012[42]) malgré sa forte progression depuis 2009.

Estimation de la puissance photovoltaïque cumulée en France. Sources: SOes/EPIA

La puissance raccordée au réseau électrique est fin d'année 2013 de 4673 MW. Jusqu'à fin 2011, la puissance cumulée doublait chaque année. A présent, la croissance annuelle est de 10-15 %. [43]

La France, DOM compris, possède ainsi 317 497 installations d'une puissance moyenne de 14,7 kWc.

Les technologies utilisées sont encore majoritairement à base de silicium cristallin. Toutefois, la technologie couche fine fait son apparition depuis peu sur le marché.

En 2012, le nombre d'emplois directs est estimé à 18 800, le marché intérieur est quant à lui estimé à 3 Mrds d'euros d'investissements[44].

Pour l'instant, la France sous-estime ses ambitions par rapport à la réalité du marché. En effet, le comité opérationnel de Grenelle sur le plan de développement des énergies renouvelables a fixé un objectif de 4860 MWc installé en 2020, objectif qui sera atteint en 2013-2014. Malgré tout, avec une puissance installée de 61Wc/habitant, la France est en dessous de la moyenne européenne (138Wc/habitant) alors qu'elle bénéficie d'un ensoleillement avantageux. Selon les perspectives tracées par l'EPIA (European Photovoltaic Industry Association) pour la France en 2020 sont de 2,2 GWc en l'absence de nouvelles mesures gouvernementales et même de 30 GWc si d'autres mesures incitatives sont mises en place[45].

À l'étranger

La puissance photovoltaïque totale installée fin 2012 sur la planète a atteint les 100 GWc, elle permet la production annuelle de 110 TWh d'électricité[46]. Ce chiffre peut paraître impressionnant, mais il est tout relatif par rapport à la puissance électrique totale installée et la production électrique annuelle toute source d'énergie confondue: respectivement une puissance de 5 067 GW (en 2010) [47] et une production électrique de 21 431 TWh [48]

Estimation de la puissance photovoltaïque mondiale cumulée. Sources: EPIA

L'Europe possède le plus grand parc photovoltaïque soit 70%, loin devant la Chine(8,1%), les États-Unis (7,6%) et le Japon (6,8%).[49]

Le marché mondial croit par pallier. La puissance annuelle installée en 2008 et 2009 était d'environ 7000 MWc, en 2011 et 2012, elle est autour de 30 GWc, soit un marché annuel en progression moyenne de 44% depuis 2008 !

Tout comme en France, les technologies à base de silicium cristallin dominent le marché mondial avec environ 80% de la production contre 15% pour la technologie couche fine. Les 5% restants sont partagés par les technologies haut-rendements et le photovoltaïque à concentration.

La puissance photovoltaïque installée sur notre planète est en constante progression; son évolution est même exponentielle. Le marché mondial annuel est évalué entre 288 GWc et 423 GWc en 2017, soit une progression annuelle de 22% à 30%.

Les entreprises

Les producteurs de silicium

Ce n'est pas la silice qui manque! Près de 26% de la masse de la croûte terrestre en est composée. Cette matière première est utilisée pour obtenir le silicium nécessaire à la fabrication de la plupart des panneaux photovoltaïques. Les producteurs de silicium transforment la silice en lingots puis en plaquettes (wafers) au terme d'un processus pas toujours très vert... En 2013, entre 260 000 et 370 000 tonnes[50] de silicium de qualité solaire sont sortis des usines de productions.


Les plus grands producteurs de silicium photovoltaïque
Entreprises Pays Capacité annuelle Production annuelle en 2012
GCL-Poly Chine 65 000 tonnes[51] 37 055 tonnes
Wacker Chemie AG Allemagne 52 000 tonnes[52] 38 000 tonnes
Origin of Chemical Innovation (OCI) Corée du Sud 42 000 tonnes [53] ?
Hemlock Semiconductor Corp. États-Unis 27 500 tonnes [54] ?
Renewable Energy Corporation (REC) Norvège 22 400 tonnes [55] 21 702 tonnes
LDK Solar Co. Chine 17 000 tonnes [56] 2 520 tonnes
Kumgang Korea Chemical Company (KCC) Corée du Sud 12 100 tonnes[57] 5 400 tonnes
SunEdison États-Unis 10 000 tonnes[58] 12 000 tonnes
Tokuyama Co. Japon 9 200 tonnes[59] 7 800 tonnes
Timminco Canada ? 1045 tonnes[60]
Daqo New Energy Co. Chine 7 300 tonnes[61] 3 585 tonnes
M.Setek Co. Japon 7 000 tonnes[62] 5 600 tonnes


D'autres producteurs de silicium photovoltaïque (par région):


Régions Pays Entreprises
Europe Allemagne Joint Solar Silicon GmbH, Deutsche Solar AG
Angleterre PowerFilm Inc., ICP Solar Technologies UK Ltd.
France Technip
Russie Nitol Solar, UC Rusal
Slovénie Metallurgija
Amériques États-Unis MEMC Electronic Materials
Asie Chine Asia Silicon Co., Aixin Silicon Sci-Tech Industrial Park, CSG Holding, Jaco Solarisi, Jiaozou Coal Industry Group, Jinyi Silicon, Luoyang Zhonggui, Na’Nan Sanjing Silicon, Ningxia Solar, NK Technology, Ningxia Sunshine Silicon Industry Company Ltd, Shangxin Silicon
Japon JFE Steel, M. Setek, Mitsubishi Materials Corporation, Shin-Etsu Handotai, Sumco Corporation, Sumitomo Titanium Corporation, Tokuyama

Les fabricants

A ce jour, il existe plus de 350 fabricants de cellules et modules photovoltaïques. Cependant le marché est largement imposé par les entreprises asiatiques. Seule First Solar LLC et Canadian Solar Inc., respectivement compagnies américaine et canadienne sortent du lot. En 2012, les 10 plus grands fabricants de cellules et modules photovoltaïques se partagent plus d'un tiers du marché mondial (14 495 MW produits pour 38 500 MW installés)

Les plus grands fabricants de cellules photovoltaïques en 2012[63]
Entreprises Pays Technologies Puissance fabriquée en 2012(en MW)
Yingli Green Energy Chine Polycristallin 1 950,0
First Solar États-Unis Couche mince 1 875,0
JingAo Solar Co. Ltd Chine Monocristallin, Polycristallin 1 700,0
Trina Solar Ltd Chine Monocristallin, Polycristallin 1 600,0
Hanwha Group Chine Monocristallin, Polycristallin, Couche mince 1 400,0
Suntech Power Co. Ltd Chine Monocristallin, Polycristallin 1 350,0
Motech Solar Taïwan Monocristallin, Polycristallin 1 280,0
Canadian Solar Inc. Canada Monocristallin, Polycristallin 1 240,0
Gintech Energy Corporation Taïwan Monocristallin, Polycristallin 1 100,0
JinkoSolar Holding Co., Ltd. Chine Monocristallin, Polycristallin 1 000,0


D'autres producteurs de panneaux photovoltaïques (par région):


Régions Pays Entreprises
Europe Allemagne Aleo Solar, Centrosolar, Conergy, Deutsche Solar, Ersol, Heckert Solar, Scheuten Solar, Schott, Schüco, Solar Fabrik, Solarwatt, SolarWorld, Solon, Sunset Solar, Sunways, Systaic.
Angleterre BP Solar
Belgique Issol, Photovoltec
Espagne Isofoton, Fire Energy, Siliken
France Photowatt, Solairedirect, Tenesol
Norvège Renewable Energy Corporation (REC)
Pays-Bas Shell SOlar, Solland
République Tchèque Solartec Sro
Suisse Solterra Fotovoltaico
Amériques États-Unis Sunpower Corp., Evergreen Solar, General Electric, Solterra, Sunpower
Asie Chine CEEG, CP Solar, Gesolar, Nanjing PV-tech, Ningbo Solar, Shanghai Solar, Shenzhen Topray, Trina Solar, Upsolar
Japon Sharp, Kyocera, Honda Soltec, Kaneka, KIS Co, Mitsubishi
Taïwan Delsolar, E-ton Dynamics

Les installateurs

En France, les installateurs de panneaux photovoltaïques sont en général des entreprises de petites tailles. En 2012, elles sont 1 883 à bénéficier de l'appellation QualiPV, garantissant la qualité des installations et le savoir faire de l'entreprise.[64]

En 2011, le marché français de l'installation de panneaux photovoltaïques représentait 3 milliards d'euros d'investissement et 18 800 emplois.[65]

Le classement IMS Research consacré aux acteurs mondiaux des systèmes photovoltaïques, a mis en lumière un marché mondial du photovoltaïque fragmenté « alors que les 30 premiers fabricants ne représentent seulement qu'une part de marché agrégée de 24%, globalement la même part qu'en 2011 » selon Ash Sharma, Directeur d'études spécialiste de l'énergie photovoltaïque chez IMS Research.

Pour la première fois, First Solar devient le premier installateur photovoltaïque au monde avec plus de 500 MWc de projets complétés en 2012. Le classement met ainsi en évidence un bouleversement des marchés où les entreprises américaines profitent de la demande croissante en Asie et en Amériques. Ainsi, SunEdison, une autre compagnie américaine obtient la 2ème place du classement avec 390 MWc installés. Les installateurs chinois font aussi une apparition notable dans le classement grâce à l'important marché local, souvent impénétrable aux entreprises étrangères. Malgré tout, les compagnies européennes se défendent bien sur le marché mondial à l'instar des compagnies allemandes BELECTRIC, Juwi, Enerparc et de la compagnie française EDF Energies Nouvelles.

Ci-dessous les 10 premiers du classement IMS Research consacré aux acteurs mondiaux photovoltaïques en 2012 :

Les plus grands installateurs de systèmes photovoltaïques en 2012[66]
Classement Pays Entreprises
1 États-Unis First Solar
2 États-Unis SunEdison
3 Allemagne BELECTRIC
4 Chine China Power Investment Corporation
5 Allemagne Juwi
6 Allemagne Enerparc
7 France EDF Energies Nouvelles
8 Chine TBEA Sun Oasis
9 Chine GD Solar
10 Chine Jiangsu Zhenfa New Energy

Liens

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Sites de particuliers

Notes et références

  1. La pile de Volta:[1]
  2. Made in Hungary: Hungarian contributions to universal culture - Andrew L. Simon:[2]
  3. Electric light - Thomas A. Edison:[3]
  4. newspaperarchive.com - The New-York Times, Tuesday, September 5, 1882:[4]
  5. The Day They Turned The Falls On: The Invention Of The Universal Electrical Power System:[5]
  6. The Nobel Prize in Physics 1921:[6]
  7. April 25, 1954: Bell Labs Demonstrates the First Practical Silicon Solar Cell:[7]
  8. U.S. Department of Energy - Solar History Timeline: 1900s:[8]
  9. WebElements - Silicon, the essentials:[9]
  10. SER - Annuaire de la recherche et de l'industrie photovoltaïques françaises 2013-2014: [10]
  11. SER - Annuaire de la recherche et de l'industrie photovoltaïques françaises 2013-2014: [11]
  12. SER - Annuaire de la recherche et de l'industrie photovoltaïques françaises 2013-2014: [12]
  13. SER - Annuaire de la recherche et de l'industrie photovoltaïques françaises 2013-2014: [13]
  14. SER - Annuaire de la recherche et de l'industrie photovoltaïques françaises 2013-2014: [14]
  15. SER - Annuaire de la recherche et de l'industrie photovoltaïques françaises 2013-2014: [15]
  16. Indium Corporation - Availability of Indium and Gallium: [16]
  17. Le journal du photovoltaïque - Hors-série n°11 2014 - Fresque des rendements photovoltaïques
  18. Indium Corporation - Availability of Indium and Gallium: [17]
  19. Le journal du photovoltaïque - Hors-série n°11 2014 - Fresque des rendements photovoltaïques
  20. Le journal du photovoltaïque - Hors-série n°11 2014 - Fresque des rendements photovoltaïques
  21. Futura Sciences - Les cellules photovoltaïques, cœur des panneaux solaires : [18]
  22. Le journal du photovoltaïque - Hors-série n°11 2014 - Fresque des rendements photovoltaïques
  23. Le journal du photovoltaïque - Hors-série n°11 2014 - Fresque des rendements photovoltaïques
  24. Industrie et Technologies - Record de rendement de conversion photovoltaïque pour la pérovskite : [19]
  25. First Solar, Southern California Edison Sign Contracts for 550 MW of Photovoltaic Solar Electricity: [20]
  26. Jeune Afrique - Maroc : cap sur l'énergie solaire: [21]
  27. First Solar : 2 gigawatts dans le désert de Chine: [22]
  28. EDF Bleu Ciel - les tarifs électricité (prix en vigueur du 10/03/2011 au 30/06/2011):[23]
  29. Commission de régulation de l'énergie (CRE) - Délibération de la CRE du 21 juillet 2016 portant communication au Gouvernement des valeurs des coefficients S21 et V21 : [24]
  30. SER - Abrogation de la bonification:[25]
  31. Construction of a Composite Total Solar Irradiance (TSI) Time Series from 1978 to present: [26]
  32. Real time satellite tracking - Vanguard 1: [27]
  33. Philippe Couillard, Lanceurs et satellites, Cépaduès, Toulouse, 2004 ISBN:2-85428-662-6, p. 120
  34. Philippe Couillard, Lanceurs et satellites, Cépaduès, Toulouse, 2004 ISBN:2-85428-662-6, p. 122
  35. Maxisciences 19-06-09, Une cellule photovoltaïque polymère au rendement quasi parfait: [28]
  36. Nature - Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells: [29]
  37. BE Allemagne 441 du 17/06/2009, Des cellules solaires transparentes: [30]
  38. Technology Review - Advanced Solar Panels Coming to Market: [31]
  39. La technologie String-Ribbon par Evergreen Solar: [32]
  40. BE Allemagne 448 du 26/08/2009, Un rendement pour les onduleurs photovoltaïques supérieur à 99% - un record encore battu par l'ISE: [33]
  41. Echodusolaire.fr du 09/12/2009, Micro-onduleurs : Mossadiq Umedaly devient président exécutif d'Enecsys: [34]
  42. EPIA - Global Market Outlook for Photovoltaics 2013-2017 :[35]
  43. Ministère de l’Écologie, du Développement Durable et de l'Énergie – Observation et statistiques – Énergies renouvelables : [36]
  44. ADEME – Le solaire photovoltaïque : [37]
  45. EPIA - Connecting the sun : [38]
  46. EPIA - Global Market Outlook for Photovoltaics 2013-2017 :[39]
  47. IEA - International Energy Statistics: [40]
  48. IEA - Key World Energy Statistics 2012: [41]
  49. EPIA - Global Market Outlook for Photovoltaics 2013-2017 :[42]
  50. JRC - PV Status Report 2013:[43]
  51. GCL-Poly Annual Report 2012:[44]
  52. Wacker Chemie AG Annual Report 2012:[45]
  53. OCI annual report 2012:[46]
  54. Hemlock Semiconductor Group – Fast Facts:[47]
  55. REC Annual Report 2012:[48]
  56. LDK Solar Co. Annual Report 2012:[49]
  57. JRC - PV Status Report 2013:[50]
  58. JRC - PV Status Report 2013:[51]
  59. JRC - PV Status Report 2013:[52]
  60. Timminco annual report 2008:[53]
  61. JRC - PV Status Report 2013:[54]
  62. JRC - PV Status Report 2013:[55]
  63. JRC - PV Status Report 2013:[56]
  64. Rapport d'activité Qualit'EnR 2012: [57]
  65. Rapport éolien et photovoltaïque du Ministère du Redressement productif et du Ministère de l’Ecologie, du Développement Durable et de l’Energie, Sept 2012: [58]
  66. IMS Research – Press Release - First Solar Ranked Largest Photovoltaic EPC in 2012 as European Companies Falter, 27 mars 2013: [59]