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CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
25
L’ÉNERGIE SOLAIRE
L’électricité solaire
thermodynamique
La concentration du rayonnement solaire
sur un seul foyer permet d’atteindre des tem-
pératures élevées. Ce principe, connu depuis
l’Antiquité, utilise des capteurs paraboliques,
cylindro-paraboliques, ou des centrales dites “à
tour”, pour lesquelles une multitude d’héliostats
orientables concentrent l’énergie solaire sur
une chaudière unique située sur une tour. Il
permet le réchauffement de fluides calopor-
teurs, en général de l’huile ou des sels fondus,
dans une gamme de température allant de 250
à 800 °C, selon les techniques utilisées. Ces
fluides viennent ensuite chauffer de la vapeur
d’eau, qui entraîne un turboalternateur, comme
dans les centrales thermiques conventionnelles.
Des unités prototypes de l’ordre de
quelques dizaines de kilowatts (kW) à une
dizaine de mégawatts (MW) ont été
construites à travers le monde au cours des
deux décennies écoulées. Dans les Pyrénées,
la centrale Thémis, d’une puissance de
2 MW, a fonctionné au début des années 80.
Le plus grand développement commercial
a toutefois été réalisé par la société Luz
Corp., qui a construit au cours de la même
décennie trois centrales à capteurs cylindro-
paraboliques totalisant une puissance élec-
trique nominale de 354 MWe, et fournissant
au réseau de Southern California Edison -
qui alimente Los Angeles – une électricité de
pointe durant les après-midi d’été. Malgré
la faillite du constructeur il y a dix ans, ces
centrales n’ont cessé d’être exploitées et de
voir leur productivité s’améliorer. Elles
témoignent maintenant de la relative matu-
rité de cette filière avec des prix de revient
de l’électricité autour de 0,1 euro le kWh.
LES TROIS VOIES DE L’ÉNERGIE SOLAIRE
Les trois façons d’utiliser “directement” l’énergie solaire font l’objet de nouveaux développements
pour améliorer leurs performances et surtout leur compétitivité économique. La plus ancienne,
l’utilisation thermodynamique, connue depuis l’Antiquité, a eu naguère son heure de gloire
avec des installations comme, en France, le four d’Odeillo ou la centrale Thémis. L’utilisation
thermique, pour le chauffage direct de locaux ou de circuits d’eau, reste une solution attractive
que garanties, subventions et améliorations technologiques contribuent à relancer. La trans-
formation directe du rayonnement solaire en électricité, le photovoltaïque, constitue la voie
potentiellement la plus riche de progrès. Le CEA travaille depuis une dizaine d’années (encadré
p. 26) à en développer les avantages et à en alléger les contraintes.
CEA/Coulon
Cellules photovoltaïques
en silicium polycristallin
testées au CEA par le Genec à
Cadarache (Bouches-du-Rhône).
Un potentiel d’amélioration de 20 à 30 %
reste envisageable, notamment via la pro-
duction directe de vapeur dans les capteurs,
et l’optimisation des miroirs. Les États-Unis,
Israël et, pour l’Europe, l’Allemagne et l’Es-
pagne mènent conjointement des recherches
sur ces thèmes. Dans le cadre des facilités
financières offertes par le Fonds pour l’envi-
ronnement mondial, des réalisations sont
annoncées d’ici deux à trois ans dans plusieurs
pays tels que l’Égypte, l’Inde et le Brésil.
L’énergie solaire thermique
L’énergie solaire thermique s’utilise prin-
cipalement au travers de deux applications :
le chauffage de l’eau chaude sanitaire et le
chauffage des locaux. Pour ces utilisations,
les capteurs vitrés utilisés offrent des rende-
ments de l’ordre de 50 % aux températures
CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
recherchées. Quatre mètres carrés permet-
tent de répondre aux besoins en eau chaude
d’une famille de quatre personnes, pour un
investissement moyen de 3 000 euro, et dix
à vingt mètres carrés assurent le chauffage
d’une maison individuelle.
Un chauffage d’appoint est nécessaire pour
les périodes climatiques les plus défavorables,
et en moyenne sur l’année, une installation de
chauffage solaire procure un taux de couver-
ture des besoins, donc une économie sur la
facture, de l’ordre de 50 à 60 %. Selon les
types d’énergie d’appoint et d’énergie substi-
tuée, les temps de retour s’étalent de 6 à 12 ans.
De tels capteurs thermiques produisent
annuellement de 200 à 800 kWh par m2,
selon les besoins et les modes d’utilisation.
Les valeurs les plus basses correspondent à
des usages épisodiques d’eau chaude sani-
taire à température élevée (supérieure à
55 °C), les plus fortes étant obtenues dans
le cas de chauffage continu à basse tempé-
rature. Pour ce type d’application, souvent
appelée “plancher solaire direct”, le fluide
caloporteur issu des capteurs est injecté direc-
tement dans le plancher des bâtiments à une
température de 25 à 30 °C. Cette conception
conduit d’une part à des habitations très
confortables, d’autre part à une rentabilité
technico-économique des meilleures.
Le développement du marché européen a
été relativement stagnant autour de
250 000 m2 par an dans les années 80, suite à
de nombreuses contre-références, liées à un
manque de formation des installateurs. Mais
l’introduction de nouveaux concepts comme
la garantie de résultats solaires et l’activité
des marchés allemand, autrichien et hollan-
dais au cours de la décennie 90 ont induit une
forte croissance, avec une augmentation des
surfaces vendues d’un facteur 2 à 4 sur les
cinq dernières années par rapport à la décen-
nie précédente. À court terme, le marché
annuel européen est estimé à plusieurs mil-
lions de m2. En France, le récent programme
national Helios 2006 vise à favoriser une dif-
fusion plus large de ces produits en apportant
une contribution financière aux usagers.
Les développements technologiques en
cours ont pour objectif de baisser les coûts,
via une meilleure facilité d’intégration et de
mise en œuvre dans le bâti.
L’électricité solaire
photovoltaïque
Réels avantages
et vraies contraintes
L’énergie solaire photovoltaïque est un
moyen intéressant de réduire les coûts de dis-
tribution de l’électricité dans certaines régions.
Particulièrement disponible dans la plupart
des pays situés entre l’équateur et les
45e parallèles, c’est une source d’énergie
d’une fiabilité remarquable qui présente un
bilan énergétique et environnemental tout à
fait favorable (encadré C, Comment fonc-
tionne une cellule solaire photovoltaïque ?).
L’énergie solaire est une ressource relati-
vement bien répartie géographiquement, et
donc disponible en de multiples endroits.
Dès lors, l’utilisation de cellules ou de
modules photovoltaïques permet la produc-
tion d’électricité “sur place”, à proximité
immédiate des besoins. C’est là l’atout essen-
tiel de l’électricité solaire : elle permet d’évi-
ter les coûts de distribution inhérents aux
solutions conventionnelles, que ce soit l’uti-
lisation de groupes électrogènes alimentés
par énergies fossiles (diesel, essence ou gaz),
ou l’extension d’un réseau électrique prin-
cipal jusqu’au lieu d’utilisation.
En effet, dans le premier cas, il est néces-
saire de prendre en compte la disponibilité
et le coût d’approvisionnement du combus-
tible jusqu’au site concerné ainsi que la main-
tenance périodique. Dans le second cas, les
coûts de l’extension ou du renforcement
d’une ligne renchérissent de manière très
importante le prix du kWh, surtout si les
besoins sont faibles. S’ils sont importants,
l’amortissement sur chaque kWh sera pro-
portionnellement réduit.
L’absence de tout mouvement mécanique
ou de circulation de fluide confère à l’élec-
tricité photovoltaïque une fiabilité excep-
tionnelle : les modules les plus vendus, à
base de silicium cristallin, font maintenant
couramment l’objet de garanties de l’ordre
de vingt ans, pour des durées de vie escomp-
tées largement supérieures. Le bilan éner-
gétique est favorable, puisqu’un module
photovoltaïque rend l’énergie nécessaire à
sa fabrication en deux à quatre ans d’expo-
sition au soleil, selon sa technologie de
fabrication.
L’ÉNERGIE SOLAIRE
26
B. Charlon/GAMMA
Miroirs orientables sur le site
de la centrale solaire Thémis,
exemple d’application de l’élec-
tricité solaire thermodynamique.
Les dix ans du Genec
Le Genec (Groupement pour les éner-
gies nouvelles de l’établissement de
Cadarache), créé en 1991 sous le nom
de Groupement énergétique de Cada-
rache, est chargé de la recherche et du
développement technologique dans le
domaine de l’utilisation rationnelle de
l’énergie solaire photovoltaïque et ther-
mique. Fruit d’une collaboration entre le
CEA et l’Agence de l’environnement et
de la maîtrise de l’énergie (Ademe), il
a accumulé une large expérience dans
les essais en laboratoire et en enso-
leillement réel ainsi que dans l’assis-
tance technique aux programmes d’élec-
trification photovoltaïque, en particulier
dans les pays en développement.
Un Club d’utilisateurs regroupe les
industriels et les organismes collabo-
rant avec le groupement en vue d’op-
timiser les travaux et l’information et
de créer des partenariats.
27
Le principal facteur limitant la faisabilité
d’un système photovoltaïque est la quantité
d’énergie souhaitée, qui doit correspondre
aux possibilités de la ressource. Pour don-
ner quelques ordres de grandeur, des besoins
d’éclairage se montant à quelques heures par
jour nécessiteront un “productible” quoti-
dien de quelques dizaines de Wh, ce qui cor-
respond à une surface de modules photo-
voltaïques nettement inférieure à un mètre
carré. Les besoins domestiques liés à un
niveau de confort moderne incluant télévi-
sion, hifi et électroménager, ou une installa-
tion de pompage pour une distribution d’eau
villageoise demanderont plusieurs kWh,
voire, dans certains cas, une dizaine de kWh
par jour. Dans tous ces cas de figure, des ins-
tallations de l’ordre du m2 ou de la dizaine de
m2 font l’affaire, et celles-ci posent rarement
des difficultés d’intégration.
En revanche, l’utilisation de l’électricité
solaire est rarement économique pour des
besoins supérieurs, dès lors qu’ils sont
concentrés en un seul point : cette source
d’énergie n’est pas appropriée aux fortes
intensités énergétiques.
L’électricité solaire photovoltaïque peut
être utilisée de deux manières : pour la four-
niture d’électricité en sites isolés ou pour l’in-
jection d’électricité sur un réseau électrique.
Montée en puissance
de l’alimentation des sites isolés
La première application est la plus
ancienne et la plus répandue au regard des
millions de systèmes installés à travers le
monde. Ce type d’application a commencé
dès les années soixante pour les satellites,
où les modules solaires photovoltaïques se
sont imposés face à la plupart des autres solu-
tions, principalement pour des questions de
poids et de fiabilité.
Les premières applications terrestres se
sont répandues dans les années soixante-dix,
essentiellement pour des besoins profes-
sionnels (alimentation de stations météoro-
logiques ou de relais de télécommunications).
Les années quatre-vingt ont vu l’apparition
successive de nombreuses niches de mar-
ché : le balisage maritime et aérien, la pro-
tection cathodique des oléoducs ou des
pylônes, le mobilier urbain et surtout l’élec-
trification rurale, qui englobe principalement
des besoins tels que l’éclairage domestique,
l’audiovisuel et le pompage de l’eau. L’ap-
provisionnement en eau des sites isolés et
son traitement en vue de la rendre potable
représenteront dans un avenir proche un mar-
ché très important tant les difficultés envi-
ronnementales sur ce thème sont prévisibles.
Les années les plus récentes auront per-
mis une montée en puissance du nombre de
réalisations dans chacun de ces secteurs. En
France, 90 % des balises maritimes sont ainsi
équipées. Dans les pays en développement,
toutes les stations de télécommunications ou
les relais hertziens utilisent cette source
d’énergie. Les programmes d’électrification
rurale se réalisent maintenant par tranches
de plusieurs milliers de systèmes.
La caractéristique principale de cette pre-
mière catégorie d’applications de l’électri-
cité solaire est qu’elle nécessite l’utilisation
de batteries lorsque le besoin d’électricité
n’est pas en phase avec la production, la res-
source, autrement dit le soleil (encadré F,
Accumulateurs, piles et batteries : des per-
formances en constante amélioration).
Croissance accélérée pour
l’électricité “au fil du soleil”
La seconde application, plus récente et
donc pour l’instant moins développée, béné-
ficie d’un taux de croissance encore plus
rapide. Il s’agit dans ce cas de transformer
directement le courant continu des modules
photovoltaïques en courant alternatif iden-
tique à celui qui est utilisé dans les réseaux
électriques basse tension. L’électricité ainsi
produite “au fil du soleil” est soit consom-
mée sur place, soit injectée dans le réseau.
L’intérêt économique et l’engouement actuel
pour cette solution viennent du fait que l’élec-
tricité ainsi produite peut être vendue à la
compagnie de distribution d’électricité.
Ce “couplage” au réseau peut se faire de
façon centralisée avec des centrales photo-
voltaïques de quelques mégawatts : des cen-
trales de puissance ont ainsi été réalisées aux
États-Unis au milieu des années 80. L’ap-
proche complémentaire utilise le caractère
réparti de la ressource et se décline en réa-
lisations “domestiques”, c’est-à-dire d’en-
viron quelques kilowatts. Les précurseurs en
matière de “toits solaires” ont été la Suisse et
l’Allemagne à la fin des années quatre-vingt.
Quelques opérations ou programmes de
démonstration, intégrant des installations de
modules en façade de bâtiment ou en toiture
ont eu lieu au cours des années quatre-vingt-
dix. À l’heure actuelle, des programmes
importants sont en phase de réalisation, au
CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
CEA/Coulon
Essai sur le simulateur solaire du
CEA/Cadarache d’un modèle de
toit à double paroi permettant
aux courants d’air naturels (créés
ici par des hélices) d’abaisser la
température dans une habitation.
CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
Japon et en Europe du Nord principalement,
sur un rythme de l’ordre du millier de sys-
tèmes montés en toiture chaque mois.
Des prix de revient en baisse
régulière
En 1999, le marché a représenté un
volume de 200 MW de puissance de module,
et un chiffre d’affaires total du secteur pho-
tovoltaïque de plus de 1,5 milliard d’euro.
La croissance est forte, de 18 % par an en
moyenne sur les dix dernières années, et en
accélération : + 27 % sur les cinq dernières
années, et + 34 % par an sur les trois der-
nières. Le lancement des programmes de dif-
fusion à grande échelle des toits photovol-
taïques au Japon puis en Allemagne en est à
l’origine.
Des projections pour l’année 2010, éta-
blies sur des hypothèses de croissance de 20
et 25 % par an, donnent respectivement un
marché annuel de 1 500 et 2 300 MW. Pour
2020, selon les mêmes estimations, le mar-
ché serait compris entre 9 et 21 GW. À
l’heure actuelle, les principaux pays pro-
ducteurs sont par ordre d’importance le
Japon, les États-Unis et l’Europe, avec des
parts de marché respectives de 40, 30 et
28
L’ÉNERGIE SOLAIRE
CEA/GENEC
Lampadaires alimentés
individuellement par des cellules
photovoltaïques à Antibes
(Alpes-Maritimes).
20 %. Les principaux acteurs sont de grands
groupes industriels pétroliers ou de l’élec-
tronique : BP Amoco, Siemens, Kyocera,
Sharp et Sanyo. Photowatt, entreprise d’ori-
gine française implantée en Rhône-Alpes, se
situe au premier rang européen et au sep-
tième rang mondial.
Les prix de vente des modules sur le mar-
ché international se situent actuellement
autour de 3,35 euro le watt (prix sortie usine,
en grande série). L’observation des prix et
des volumes de ventes sur les vingt dernières
années montre une évolution régulière, cor-
respondant à une division des prix par deux
tous les dix ans. La projection vers le futur
conduit ainsi à un prix de l’ordre de 1,5 euro
le watt en 2010. Pour un système photovol-
taïque couplé au réseau de quelques kW, le
prix de revient pour l’usager, installation et
onduleur compris, est de l’ordre du double
du prix du module sortie usine, soit un peu
plus de 6 euro le watt. Pour un système avec
stockage sur batterie, les prix varient selon les
applications entre 9 et 12 euro le watt. ●
Philippe Malbranche et Olivier Dieudonné
Genec
Direction de la recherche technologique
CEA/Cadarache
CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
29
Du lingot à la plaquette
Une cellule photovoltaïque présente la
propriété de convertir directement les rayons
solaires en électricité (encadré C, Comment
fonctionne une cellule solaire photovol-
taïque ?). Sur le plan électronique, c’est une
diode. Le matériau semi-conducteur le plus
largement utilisé pour sa fabrication est le
silicium cristallin : sa largeur de bande inter-
dite en fait un des matériaux permettant les
plus forts rendements de conversion, sa
technologie est bien maîtrisée, et il est très
abondant. Actuellement, plus de 80 % des
cellules sont faites avec du silicium cristal-
lin. Le silicium amorphe ne représente
qu’environ 10 % du marché, les cellules faites
avec ce matériau ayant des rendements de
conversion moitié de ceux des cellules en sili-
cium cristallin. La part des autres matériaux
(CdTe, CIS, etc.) est encore faible.
Les cellules photovoltaïques sont réalisées
dans des plaquettes de silicium très fines
(épaisseur de 200 à 350 µm, pour une surface
allant de 10 x 10 cm2 à 15 x 15 cm2), décou-
pées dans des lingots de silicium monocris-
tallin ou multicristallin. Le procédé Czo-
chralski (CZ) permet de fabriquer les lingots
monocristallins. Un germe lui-même mono-
cristallin, trempé à la surface d’un bain de sili-
cium faiblement surchauffé contenu dans un
creuset en silice, est tiré à vitesse continue.
La solidification a lieu et reproduit le motif
cristallin du germe. Si les conditions de tirage
sont bien contrôlées, l’opération produit une
billette de silicium monocristallin sans défauts.
Le procédé permet d’obtenir des cellules de
très bon rendement de conversion (16 à 17 %
en production) mais reste relativement cher.
Le procédé de fabrication des lingots de
silicium multicristallin est basé sur la fusion
de silicium dans des creusets en silice. Cette
méthode consiste à refroidir très lentement du
silicium liquide suivant une direction donnée
afin d’obtenir une structure de solidification
orientée uniformément suivant cette direction.
Elle donne un lingot aux grains relativement
gros (1 cm) qui permettent d’obtenir des cel-
lules avec un bon rendement (14 %). C’est
un procédé lent mais de faible coût.
Les modules solaires photovoltaïques :
du silicium cristallin aux couches minces
Les cellules solaires photovoltaïques utilisent actuellement le silicium comme matière pre-
mière, comme la plupart des composants de la microélectronique. Après avoir utilisé les rebuts
de fabrication de cette dernière, leur production tend à suivre ses propres spécifications et à adop-
ter des voies nouvelles, dont les couches minces, voire l’utilisation de matières plastiques.
Le CEA s’est engagé dans plusieurs de ces voies.
CEA/Coulon
De la pierre de silice
au bloc de silicium.
Le silicium obtenu doit être très pur, car la
présence d’impuretés même à des taux très
faibles réduit le rendement des cellules : les
concentrations en impuretés tolérées vont de
0,1 à quelques dizaines de ppm (parties par
million) et même de l’ordre de quelques
dizaines de ppb (parties par milliard) pour cer-
taines impuretés.Après solidification, les blocs
de silicium cristallin obtenus sont découpés
en lingots, puis en plaquettes. La découpe des
plaquettes, réalisée par une scie à fil, est longue
et coûteuse en matériau : le trait de scie fait
environ 200 µm de large, et pratiquement la
moitié du silicium est perdue.
Cellules et modules
Globalement, la fabrication des plaquettes
de silicium représente 40 % du prix du
module, élément qui remplit plusieurs fonc-
tions : connecter les cellules entre elles de
manière à fournir la tension voulue (typique-
ment 36 cellules en série pour une sortie sur
12 V) et les protéger contre les agressions de
l’environnement (érosion, humidité, grêle, sel,
UV, etc.). Pour en réduire le coût, des gains
doivent être recherchés à toutes les étapes : la
purification du silicium, la fabrication des lin-
gots et la découpe des plaquettes. Une solution
CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
séduisante consiste à produire des rubans de
silicium, permettant de s’affranchir de l’étape
de découpe de plaquettes. Cependant cette
technique, largement développée au cours des
vingt dernières années, n’a pas réussi à s’im-
poser, en raison notamment de la moins bonne
qualité du silicium obtenu.
Le bon fonctionnement d’une cellule
nécessite plusieurs fonctions : une absorp-
tion maximum de la lumière sur tout le
spectre solaire, une collecte efficace des
porteurs (électrons et trous) générés par
les photons et l’établissement d’une
connexion électrique avec le circuit exté-
rieur. La première étape de sa fabrication
est donc une attaque chimique de la sur-
face pour la nettoyer et la rendre rugueuse,
donc peu réfléchissante. La jonction est
ensuite formée par diffusion de dopants
(les plaquettes utilisées sont généralement
dopées p, mais du phosphore est introduit
par diffusion afin de doper n le silicium sur
une profondeur de l’ordre du micromètre)
et un dépôt anti-réfléchissant est effectué.
Les grilles métalliques servant à collecter
le courant, très étroites afin de ne pas créer
un effet d’ombrage important, sont ensuite
réalisées par sérigraphie. Un recuit permet
alors la formation du contact électrique
entre le silicium et les grilles collectrices.
Les rendements de conversion de ces cel-
lules sont de l’ordre de 14 à 17 %, selon la
nature du matériau utilisé (multi ou mono-
cristallin) et le procédé de fabrication de
la cellule. Un ruban d’aluminium destiné
à réaliser les interconnexions entre cellules
est ensuite soudé sur les grilles. Puis les
cellules sont testées individuellement, triées
selon leurs rendements de conversion, et
assemblées en modules. La face éclairée
des cellules est collée sur un verre trempé
qui assure la protection mécanique. L’ar-
rière des cellules est protégé par une feuille
de verre ou de plastique. Les collages sont
réalisés par un polymère qui assure la pro-
tection contre l’humidité.
30
L’ÉNERGIE SOLAIRE
Comment fonctionne une cellule solaire photovoltaïque ?
Le silicium a été choisi pour réaliser
les cellules solaires photovoltaïques pour
ses propriétés électroniques, caractéri-
sées par la présence de quatre électrons
sur sa couche périphérique
(colonne IV du tableau de
Mendeleiev). Dans le silicium
solide, chaque atome est lié à
quatre voisins, et tous les
électrons de la couche péri-
phérique participent aux liai-
sons. Si un atome de silicium
est remplacé par un atome
de la colonne V (phosphore
par exemple), un des élec-
trons ne participe pas aux
liaisons ; il peut donc se
déplacer dans le réseau. Il
y a conduction par un élec-
tron, et le semiconducteur
est dit dopé de type n. Si au
contraire un atome de sili-
cium est remplacé par un
atome de la colonne III (bore par
exemple), il manque un électron pour
réaliser toutes les liaisons, et un électron
peut venir combler ce manque. On dit
C
alors qu’il y a conduction par un trou, et
le semiconducteur est dit dopé de type p.
Les atomes tels que le bore ou le phos-
phore sont des dopants du silicium.
matériau p. La zone initialement dopée
n devient chargée positivement, et la
zone initialement dopée p devient char-
gée négativement. Il se crée donc un
champ électrique entre les
zones n et p, qui tend à
repousser les électrons
dans la zone n et un équi-
libre s’établit. Une jonction
a été créée, et en ajoutant
des contacts métalliques
sur les zones n et p, c’est
une diode qui est obtenue.
Lorsque cette diode est
éclairée, les photons sont
absorbés par le matériau et
chaque photon donne nais-
sance à un électron et un
trou (on parle de paire
électron-trou). La jonction
de la diode sépare les élec-
trons et les trous, donnant
naissance à une différence
de potentiel entre les contacts n et p, et
un courant circule si une résistance est
placée entre les contacts de la diode
(figure).
- +
-
+
I
contact sur zone n
contact sur zone p
zone dopée n
absorption des photons
génération
des porteurs
collecte
des porteurs
zone dopée p
Lorsqu’un semiconducteur de type n
est mis en contact avec un semicon-
ducteur de type p, les électrons en excès
dans le matériau n diffusent dans le
Cellules de silicium cristallin
assemblées en modules sur le
site d’expérimentation du
CEA/Cadarache.
J.-F. Mutzig
CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
31
Les verrous technologiques
Jusqu’à présent, les volumes de silicium
utilisés par l’industrie photovoltaïque étaient
faibles (3 000 tonnes par an, soit de l’ordre
de 10 % de la consommation de silicium de
la microélectronique), et le silicium provenait
des rebuts (têtes et queues de lingots, sili-
cium polycristallin) de la microélectronique,
qui fournissaient un silicium d’une pureté
de quelques ppb, supérieure à celle deman-
dée par les cellules photovoltaïques. Mais
les prévisions de croissance du photovol-
taïque rendent maintenant nécessaire une
source autonome produisant à un faible coût
un silicium de pureté adaptée à ses besoins.
Parmi les alternatives possibles à l’utilisa-
tion des rejets de la microélectronique, le
procédé à lit fluidisé utilisant comme maté-
riau de base le silicium métallurgique semble
le plus prometteur. Il permettrait d’élaborer
du silicium de qualité satisfaisante à un coût
accessible. Le groupe chimique allemand
Bayer étudie actuellement l’industrialisation
de ce procédé.
Le procédé actuel de fabrication des lin-
gots est lent. L’industrie s’oriente vers des
méthodes de coulée continue en creuset froid :
le silicium fondu y est introduit, confiné par
un champ électromagnétique et solidifié sans
contact avec les parois. Il est ainsi possible
d’obtenir en continu des lingots de grande
dimension (35 × 35 cm2 de section et 3 m de
longueur) ayant une structure cristalline com-
patible avec les applications photovoltaïques.
Ce type de procédé présente plusieurs avan-
tages par rapport aux procédés classiques. Il
évite toute contamination par le creuset grâce
au confinement électromagnétique, sa pro-
ductivité est multipliée par 10 et l’homogé-
néité du lingot permet d’obtenir des cellules
au rendement de conversion très ciblé et
d’abandonner le tri des cellules.
Les cellules à concentration
Dans un système à concentration, une
cellule de petite taille est placée au foyer
d’une optique (figure 1). La surface de la
cellule silicium est donc divisée par le fac-
teur de concentration, qui peut aller jusqu’à
300. La cellule peut être réalisée dans du
silicium de très bonne qualité avec les tech-
nologies de la microélectronique, ce qui
autorise des rendements de conversion plus
élevés (supérieurs à 20 %) que ceux des cel-
lules utilisées sans concentration (15 %).
Le système doit toutefois être placé sur un
support orientable pour suivre le soleil. Le
coût du système est alors essentiellement
déterminé par l’optique, qui peut être réa-
lisée en plastique, et donc être peu chère,
par l’assemblage et par le système de suivi.
Les systèmes à faible concentration (moins
de 50) utilisent des optiques cylindriques
qui nécessitent un suivi du soleil suivant un
axe ; les systèmes à forte concentration (plus
de 100) un suivi selon deux axes. Cette
approche, particulièrement adaptée à la pro-
duction d’électricité dans des micro-cen-
trales, devrait permettre de réduire le coût de
l’énergie produite. Pour améliorer les sys-
tèmes à concentration, on cherche bien sûr
à augmenter les rendements des cellules,
mais aussi à développer des systèmes
optiques ayant des focales plus courtes afin
de réduire l’épaisseur et donc l’encombre-
ment des panneaux.
Les voies du futur :
les modules en couches minces
Les verrous scientifiques
et technologiques
La faible consommation de matière, l’éla-
boration directe du matériau par les tech-
niques de dépôt usuelles sur un matériau sup-
PHOTOWATT INTERNATIONAL
Cellule en silicium multicristallin
de 100 mm.
optique de
concentration
cellule silicium Figure 1. Schéma de principe
d’une cellule à concentration.
CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
port de faible coût comme le verre, l’acier
ou un polymère, sans avoir besoin d’autres
étapes de mise en forme coûteuses comme
le sciage, font de la technologie en couche
mince une solution particulièrement attractive
pour les cellules photovoltaïques (encadré).
Le silicium cristallin, de par sa structure de
bandes électroniques, n’est pas naturelle-
ment le matériau semi-conducteur adapté à la
conversion photovoltaïque en couche mince.
Les profondeurs d’absorption pour la partie
du spectre solaire se situant dans le proche
infrarouge sont en effet élevées et se chif-
frent en dizaines de microns. Les cellules au
silicium monocristallin en film mince ont
cependant leur intérêt, comme nous le ver-
rons plus loin.
Pour avoir une cellule couche mince, il faut
de préférence utiliser des semi-conducteurs
ayant une bande électronique interdite directe
(et non indirecte comme le silicium) et de valeur
adaptée au spectre solaire (de l’ordre de 1,5 eV).
Avec de tels matériaux, tout le spectre solaire
peut être absorbé dans une épaisseur de l’ordre
du micromètre. De plus, la faible profondeur
d’absorption rend la cellule relativement tolé-
rante à la présence de défauts agissant comme
centres de recombinaison des porteurs de
charge (électrons et trous).
De très nombreux efforts de recherche ont
donc été entrepris sur un assez grand nombre
de matériaux depuis une quarantaine d’années,
afin d’arriver à des cellules photovoltaïques en
couche mince possédant, à la fois, un bon ren-
dement de conversion et un faible coût. Histo-
riquement, deux matériaux ont été particuliè-
rement étudiés et ont fait l’objet d’une
industrialisation : le silicium amorphe et le tel-
lurure de cadmium (CdTe), tous deux déposés
sur verre. Malgré les efforts entrepris, le ren-
dement maximum de ce type de cellules, pour
des tailles significatives, reste malheureuse-
ment limité. Ceci tient à la difficulté d’obtenir
ce type de matériaux avec une faible densité
de défauts et, par là, de bonnes propriétés élec-
troniques. Le silicium amorphe souffre de plus
d’un effet de vieillissement lié à l’instabilité
de l’hydrogène dans sa structure et la présence
du cadmium, un métal lourd de toxicité com-
parable à celle du mercure, rend le CdTe rela-
tivement inapproprié à une application grand
public. Récemment, des avancées remarquables
ont été obtenues sur un autre type de matériaux,
les chalcopyrites, avec comme référence le
diséléniure de cuivre et d’indium (CuInSe2)
ou CIS. Cette filière est donc devenue rapide-
ment la filière couche mince de référence.
Mais tout n’est pas dit et les efforts se
poursuivent dans de nombreuses autres direc-
tions : fabrication de matériau silicium avec
des grains de taille très faible amenant à une
modification de la structure de bande élec-
tronique (silicium dit “microcristallin”), cel-
lules multi-jonctions à base d’alliages sili-
cium-germanium amorphes, cellules à base
de matériaux semi-conducteurs organiques.
Un des gros enjeux de la filière couche mince
est également lié à la possibilité de réaliser ces
couches directement sur un matériau souple
permettant ensuite de recouvrir un matériau de
construction. Ceci pose un autre défi, celui de
trouver des polymères de support étanches à
l’humidité et donc permettant de prévenir toute
corrosion et toute dégradation du matériau semi-
conducteur et des connexions électriques.
Le champ des recherches sur ces matériaux
couches minces reste relativement ouvert.
Toute la gamme des matériaux possibles n’a
pas été étudiée en détail. De nombreux efforts
sont encore nécessaires pour obtenir une mise
en œuvre assurant à la fois le coût minimum
et le rendement maximum. Enfin les méca-
nismes physiques élémentaires commandant
les rendements initiaux et les facteurs de
32
L’ÉNERGIE SOLAIRE
(0,3 )
(0,005 )
(2 )
(1 )
(3000 )
contact supérieur ZnO
jonction n-CdS/p-CIS
couche CIS
contact arrière molybdène
support verre
Figure 2. Schéma de principe de
l’empilement d’une cellule photo-
voltaïque CIS (diséléniure de
cuivre et d’indium) et de l’inter-
connexion électrique entre deux
cellules en série. L’épaisseur des
différentes couches est indiquée
entre parenthèses.
CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
33
dégradation sont encore relativement mal
compris dans tous les matériaux couches
minces étudiés, quelle que soit leur maturité.
Les technologies en cours
de développement
ou d’industrialisation
Ces dernières années, alors que le rende-
ment de conversion des cellules solaires basées
sur les couches minces de CdTe a stagné autour
de 16 % en laboratoire, des progrès constants
ont été obtenus avec le matériau semi-conduc-
teur CIS. Une valeur de rendement de 18,8 %,
record pour le domaine des couches minces, a
été atteinte en laboratoire pour une cellule de
petite dimension. Pour des modules de 30 ×
30 cm2 , des performances de 12,8 % sont
d’ores et déjà obtenues. De plus, des études
fondamentales ont montré que ce matériau a la
particularité d’être très stable sous rayonne-
ment et qu’il a la propriété de s’autorégéné-
rer. Ce phénomène d’autoguérison est expliqué
par la structure chalcopyrite de ce matériau,
qui n’est pas totalement ordonnée, et par le
fait que de nombreux défauts de type lacunes
d’atomes ou d’atomes étrangers (sodium, fer,
or…) sont présents et que les atomes de cuivre
qui le constituent sont relativement mobiles.
Ces résultats ont provoqué un regain d’intérêt
pour cette filière, en particulier enAllemagne.
La structure de l’empilement d’une cel-
lule CIS (figure 2) comprend un support en
verre et une électrode en molybdène déposée
par pulvérisation cathodique. La jonction
sulfure de cadmium (CdS) de type n/CIS de
type p est obtenue par le dépôt d’une couche
de 50 nanomètres de CdS en bain chimique
(Chemical Bath Deposition CBD) sur le CIS.
Une électrode transparente en oxyde de zinc
(ZnO) dopé à l’aluminium constitue le
contact supérieur. Plusieurs techniques de
dépôt ont été utilisées pour l’obtention de la
couche CIS (évaporation sous vide, séléni-
sation des précurseurs métalliques, pulvéri-
sation cathodique ou par spray, électrodépo-
sition). Les meilleures performances sont
atteintes avec la technique de co-évapora-
tion des éléments. La surface finale de la cel-
lule est ensuite encapsulée par une couche
polymère et un verre de protection.
Les principaux acteurs industriels sont Sie-
mens Solar (Allemagne et États-Unis), Wurth
Solar (Allemagne) et Matsushita (Japon). En
France, il n’y a encore aucun industriel impli-
qué dans cette filière, et dans le domaine de
la recherche, le laboratoire d’électrochimie
de l’ENSCP (École nationale supérieure de
chimie Paris) travaille sur ce matériau depuis
plusieurs années avec une réputation inter-
nationale. EDF, Saint-Gobain Recherche et
l’ENSCP participent à un projet permettant le
développement en France d’une filière couche
mince CIS originale basée sur l’électro-
déposition.
Cellules au silicium
monocristallin en film mince
Même si, comme nous l’avons vu, le sili-
cium nécessite des épaisseurs de plus de
10 microns pour espérer un rendement de
conversion suffisant, une solution très attrac-
tive pour réaliser à faible coût des cellules
photovoltaïques est de prélever dans une pla-
quette de silicium monocristalline un film
épais de quelques dizaines de microns et de
le rapporter sur un support à faible coût tels le
Photowatt-CEA :
une coopération qui s’intensifie
Les collaborations établies entre Pho-
towatt International, premier fabricant
européen verticalement intégré de
plaques, cellules et modules photovol-
taïques, le CEA/Cadarache et le Leti à
Grenoble devraient s’intensifier dans les
années à venir, dans les domaines de
l’intégration des modules dans le bâti-
ment et du développement de nouveaux
procédés de fabrication des cellules pho-
tovoltaïques. Photowatt poursuit sa stra-
tégie de croissance sur un marché mon-
dial en expansion rapide. Passé de 5 MW
de capacité en 1997 à 18 MW aujour-
d’hui, Photowatt International propose
aussi une gamme élargie de produits
avec deux tailles de wafers et cellules
et une gamme de modules allant de 10 à
plus de 100 watts-crête (Wc). Cela a
permis l’élargissement de sa présence
géographique : Photowatt est mainte-
nant présent à égalité sur les zones
Europe (marché du “raccordé réseau”,
particulièrement en Allemagne), Amé-
rique (grâce notamment à sa maison-
mère américaine Matrix Solar Techno-
logies, elle-même filiale de la société
canadienne Automation Tooling Sys-
tems) et Asie/Pacifique (le Japon étant
le plus gros marché mondial). Son objec-
tif ? Figurer parmi les cinq premiers
fabricants mondiaux. Photowatt attache
une importance particulière au déve-
loppement des nouvelles technologies
et des nouveaux procédés de fabrica-
tion. L’entreprise consacre, avec la par-
ticipation de l’Ademe, environ 15 % de
son chiffre d’affaires à la recherche et
au développement de la technologie. Ses
principaux objectifs pour le court et le
moyen terme sont d’une part un four de
coulée continue du silicium dans un
creuset froid, qui permet de fabriquer
des lingots dix fois plus rapidement que
la technique utilisée aujourd’hui, avec
une réduction d’un facteur 2 de la valeur
ajoutée, d’autre part le développement
d’un procédé innovant de fabrication
des cellules permettant une augmenta-
tion significative du rendement de
conversion. D’autres projets pour le plus
long terme portent sur le raffinage du
silicium et le développement de cellules
ultra-minces (100 -150 µm).
Fabrication de cellules
de silicium multicristallin
à l’usine Photowatt
International de
Bourgoin-Jallieu (Isère).
PHOTOWATT INTERNATIONAL
verre ou la céramique. Ceci permettrait de
n’utiliser que la quantité de silicium stricte-
ment nécessaire au bon fonctionnement de
la cellule et d’éviter les pertes liées au sciage,
tout en gardant un matériau et une filière par-
ticulièrement fiables et éprouvés. Plusieurs
procédés sont en cours d’étude dans plusieurs
laboratoires au Japon, en Allemagne, en Aus-
tralie et en France. Tous ont en commun la
fragilisation du silicium en profondeur de
manière à pouvoir ensuite détacher le film
de surface situé au dessus de cette zone fra-
CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
gile et de le reporter sur le support à bas coût
de grande dimension (figure 3). Avantage
supplémentaire : la réalisation des étapes
technologiques des cellules se fait à l’échelle
d’un module de grande surface et non plus au
niveau de chaque tranche de silicium, ce qui
permet de réduire de façon significative le
coût ramené à l’unité de surface. Le CEA/Leti
(Laboratoire d’électronique et de technolo-
gie de l’information), qui a joué le rôle de
pionnier dans le développement de ce type
d’approche pour les applications à la micro-
électronique, se propose d’étudier son appli-
cation aux cellules photovoltaïques dans le
cadre d’un contrat avec l’Ademe, en colla-
boration avec l’INSA de Lyon.
Les cellules organiques :
vers le tout polymère
La recherche et développement de cellules
solaires à base de matériaux organiques ou de
polymères est motivée par les avantages que
présentent ces matériaux : faible coût, matière
première illimitée, facilité de mise en œuvre,
technologies basse température, grandes sur-
faces, dispositifs souples... Cette solution
34
L’ÉNERGIE SOLAIRE
JKU Linz
Cellule photovoltaïque souple
développée à l’université de Linz
(Autriche).
support bas coût
silicium
monocristallin
pavage couche mince
technologie cellule
Figure 3. Schéma de principe de
report de couche mince et de
pavage de support bas coût de
grande dimension avec réalisation
des étapes technologiques de
fabrication des cellules à l’échelle
du module.
permettrait de plus de traiter selon une même
technologie le substrat (support mécanique),
le matériau actif où a lieu la conversion pho-
tovoltaïque et l’encapsulation.
Il existe aujourd’hui des cellules photo-
voltaïques organiques dont le rendement
de conversion dépasse la barre des 10 %.
Elles reposent sur la technologie dite de
Grätzel qui consiste en une jonction entre
un polymère organique et un électrolyte
liquide.
La génération photovoltaïque se situe dans
le polymère et l’électrolyte permet d’assu-
rer le transfert de charge et la différence de
potentiel (force électromotrice) par sa jonc-
tion avec le polymère. Ce type de cellule est
développé en Suisse par Solaronix pour les
applications basse puissance et en Allemagne
par l’INAP (Institut für Angewandte Photo-
voltaik) pour les applications haute puissance.
La présence de l’électrolyte liquide constitue
l’inconvénient majeur de cette technologie
avec une faible stabilité en temps (évapora-
tion) et une plage de température de fonc-
tionnement limitée.
La recherche s’oriente donc vers une solu-
tion tout polymère. Dans cette filière, les
meilleures performances actuelles sont un ren-
dement de conversion de 3,6 %. Le nombre
de laboratoires travaillant dans le domaine, à un
stade encore relativement amont, reste limité,
mais les publications, brevets et conférences
illustrent l’émergence de cette voie qui pour-
rait entrer en phase de développement à une
échéance voisine de 2010. Le CEA/Leti a acquis
une expérience significative dans ce domaine
suite à un contrat européen, le premier sur le
sujet. Il a proposé une voie originale pour amé-
liorer les performances de collecte des por-
teurs de charge dans ce type de structure. Un
projet national alliant le Leti, plusieurs labo-
ratoires universitaires et le groupe TotalFinaElf
est en cours de montage afin de développer
des cellules photovoltaïques en polymères pour
les applications de production d’énergie. Il
s’agit dans un premier temps d’une activité de
recherche amont. ●
Claude Jaussaud, Jean-Pierre Joly,
Alain Million et Jean-Michel Nunzi
Laboratoire d’électronique
et de technologie de l’information
Direction de la recherche technologique
CEA/Grenoble
CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
35
L’interface entre l’usager
et la ressource
Le système photovoltaïque est l’interface
entre l’usager et la ressource, il “met en
forme” l’énergie captée par les modules pho-
tovoltaïques selon les types d’applications.
En plus d’une association de modules pho-
tovoltaïques, un onduleur permet de conver-
tir le courant continu en courant alternatif
pour une utilisation sur le réseau électrique.
L’usager peut alors consommer l’énergie
qu’il produit ou la réinjecter dans le réseau
électrique si, par exemple, les conditions de
rachat par l’exploitant du réseau lui sont favo-
rables. L’onduleur peut entraîner une pompe
dans le cas d’un système de pompage dit “au
fil du soleil” : de l’eau est alors refoulée dans
un réservoir dimensionné selon les besoins du
village, pendant la journée, et restituée à la
demande.
S’il est nécessaire de stocker l’énergie élec-
trique produite, un parc de stockage sera
introduit. La gestion de ce parc se fera alors
via un régulateur : celui-ci se charge lorsque
l’ensoleillement le permet, et alimente l’uti-
lisation dès que nécessaire. Un tel stockage
permet, d’une part de pallier les alternances
jour-nuit ainsi que plusieurs jours consécu-
tifs de mauvaises conditions météorolo-
giques, d’autre part de répondre à des besoins
de puissance nettement supérieurs à ce que
pourrait fournir instantanément le généra-
teur photovoltaïque.
Les solutions hybrides
Ce type d’architecture se complexifie
pour des applications plus importantes :
afin d’éviter la mise en place d’un stockage
trop imposant, et donc coûteux, un géné-
rateur auxiliaire tel qu’un groupe électro-
gène peut être retenu. Ce sera alors un sys-
tème photovoltaïque dit “hybride”,
c’est-à-dire associant un générateur pho-
tovoltaïque à une source d’énergie, conven-
tionnelle ou non : si les conditions météo-
rologiques sont favorables, l’association
de plusieurs sources renouvelables (photo-
voltaïque, éolienne ou micro-hydraulique)
est même envisageable.
Les axes de recherche et de développe-
ment sur tous ces systèmes visent principa-
lement la baisse des prix de revient des ser-
vices rendus. Cette baisse s’obtient en jouant
sur les couples coûts/performances des com-
posants constituant le système mais aussi sur
des facteurs plus globaux de gestion et d’ar-
chitecture des systèmes.
Dans l’ordre d’importance des coûts d’in-
vestissement initiaux d’un système photo-
voltaïque hybride, par exemple, le généra-
teur photovoltaïque représente en moyenne
35 %, le parc batterie 20 %, les autres com-
posants 20 %, les sources d’énergie addi-
tionnelles (groupe électrogène) 10 %, la logis-
tique et l’installation 15 %. L’intégration des
coûts de maintenance, d’intervention et de
remplacement de matériel (parc de stockage
par exemple) bouleverse la ventilation des
coûts dits de “cycle de vie” : le parc batterie
en représente 50 %, le générateur photovol-
taïque 20 %, les sources d’énergie addition-
nelles 15 % et les autres composants 10 %, la
logistique et l’installation 5 %.
La recherche sur les modules photovol-
taïques a des retombées directes sur les coûts
des systèmes tant en termes d’augmentation
des performances et du rendement de conver-
sion des cellules (plus de puissance pour un
prix constant), qu’en termes de diminution des
Les systèmes photovoltaïques
Au-delà du module qui porte les cellules exposées au soleil, l’exploitation de l’électricité
photovoltaïque passe par des “systèmes” dont le développement futur nécessite, pour chaque
composant, un effort de recherche pour améliorer son économie et sa fiabilité. C’est particu-
lièrement vrai du chaînon essentiel que constitue le stockage, la contrainte principale pesant sur
la filière étant la nécessité de stocker l’électricité entre les périodes d’ensoleillement. Le CEA
cherche entre autres à modéliser le fonctionnement des systèmes photovoltaïques en intégrant
les évolutions des caractéristiques du stockage au fil du temps.
Installation destinée à couvrir les
besoins en électricité et en eau
d’un camp de vacances pour ado-
lescents à Alice Springs, dans le
bush australien. Elle associe des
modules solaires photovoltaïques,
un parc de batteries, un groupe
électrogène, une pompe de
forage, une unité de dessalement
et une réserve d’eau douce.
Ph. Malbranche
CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
prix de production en travaillant sur les pro-
cédés de fabrication (module photovoltaïque
moins cher à puissance équivalente, voir Les
modules solaires photovoltaïques : du silicium
cristallin aux couches minces). Il est raison-
nable aujourd’hui d’estimer qu’une marge de
gain existe qui permettrait de réduire de 30 %
le coût d’un système complet. Les deux autres
axes de recherches les plus importants ne sont
pas à négliger. Sur le parc de stockage, le gain
potentiel est estimé à 50 % s’il est, par
exemple, possible de multiplier par deux la
durée de vie de la batterie. Sur les autres com-
posants, il s’agit de minimiser les pertes de
conversion : les onduleurs dits “solaires” sont
bien plus performants que les onduleurs stan-
dard. Leur rendement atteint 95 % pour une
consommation à vide de quelques pour-cent
de leur puissance nominale alors que le ren-
dement des onduleurs pour alimentation sans
interruption dépasse à peine 80 % avec une
consommation à vide supérieure d’un ordre
de grandeur. Le prix est en conséquence.
Fiabilisation, gestion des flux
et nouvelles architectures
Dans le cas des systèmes complets, les
principaux leviers technologiques qui gui-
dent les actions de recherches sont essen-
tiellement de trois ordres. Le premier relève
de la fiabilité des systèmes. À court et moyen
terme, c’est l’un des moyens d’action les
plus efficaces : il s’agit par exemple de
réduire les fréquences de maintenance sur
les sites isolés, ou de conférer à l’ensemble
des composants des durées de vie aussi
longues que celle des modules photovol-
taïques. Cela passe par une meilleure
connaissance de la fiabilité du système et la
mise en place de dispositifs de surveillance
et d’aide à l’utilisateur, mais aussi par une
certaine standardisation des composants et
une approche d’assurance de la qualité et de
normalisation de plus en plus présente. Une
partie des études du Groupement pour les
énergies nouvelles de l’établissement de Cada-
rache (Genec) vise à l’élaboration des normes
internationales de tests des systèmes.
Le second levier est celui de la gestion des
flux énergétiques : à moyen terme, cette solu-
tion semble la plus prometteuse. Elle consiste
à utiliser au mieux les flux d’énergie de tous
les composants, en tentant de faire produire
les modules photovoltaïques au plus près de
leur puissance maximale, en recherchant une
meilleure connaissance de la stratégie de ges-
tion des batteries, en optimisant les associa-
tions de sources énergétiques en vue de pri-
vilégier l’utilisation des énergies renouvelables
tout en correspondant à un optimum écono-
mique. La mise en œuvre de méthodes de ges-
tion “prédictives”, c’est-à-dire visant à pré-
voir l’état futur des ressources ou du système,
constitue aujourd’hui un axe important des
études menées au Genec.
Le troisième levier s’exerce sur l’architec-
ture globale du système : c’est certainement le
point le plus innovant qui donnera le jour à
des produits dont l’architecture sera éloignée
de celle des premiers systèmes. Cette tendance
est très nette pour des applications du type
“couplage au réseau”. Des produits de plus
en plus diversifiés sont en cours de dévelop-
pement pour permettre une intégration plus
simple et modulaire dans les bâtiments : tuiles,
ardoises ou couvertures “solaires”, fenêtres
de toit ou de façade semi-transparentes, et
même des composants multifonctionnels assu-
rant simultanément une ou plusieurs des fonc-
tions telles que rigidité mécanique du bâti-
ment, isolation, protection solaire, captation de
l’énergie thermique et production d’électri-
cité photovoltaïque. Mais c’est aussi le cas
pour les autres applications où les réponses
techniques permettront au produit final de
mieux correspondre aux besoins, voire de
trouver de nouvelles applications.
Si les améliorations apportées aux sys-
tèmes complets sont plutôt liées au processus
d’innovation technologique, les gains pres-
sentis dans le domaine du stockage électro-
chimique – comme celui de la conversion
photovoltaïque examiné plus précédem-
ment – sont du ressort de la recherche amont.
36
L’ÉNERGIE SOLAIRE
Résidence secondaire, dans le
centre de la Finlande, alimenté en
électricité par un système photo-
voltaïque délivrant en été de
l’ordre de 5,6 kWh par jour.
Les modules de toit assurent
également des fonctions de
couverture et d’isolation.
Neste Oy NAPS
Batteries en test accéléré au
Genec, au CEA/Cadarache.
CEA/GENEC
37
Le stockage de l’électricité
d’origine photovoltaïque
Les générateurs photovoltaïques auto-
nomes ont besoin d’un stockage électrique
pour assurer une fourniture d’énergie quasi
permanente quelles que soient les séquences
d’ensoleillement. Suivant les applications,
cette fourniture sera assurée par exemple
pendant deux à trois jours pour certains petits
systèmes domestiques, et pendant une quin-
zaine de jours pour les applications profes-
sionnelles comme les phares et balises mari-
times.
Divers types de batteries
Les différentes applications font appel
à des batteries de technologie différente
afin de garantir le service rendu. Parmi ces
technologies, la batterie au plomb, bien que
connue depuis plus de cent ans, offre actuel-
lement, et pour de longues années encore,
la meilleure réponse en termes de prix et
de durée de vie. Certains sites où les
contraintes d’exploitation et d’environne-
ment climatique sont particulièrement
sévères peuvent être équipés de batteries
au nickel-cadmium mais leur coût prohi-
bitif ne permet pas la généralisation de leur
utilisation. Les nouveaux couples (lithium-
ion, lithium métal hydrure) présentent des
solutions intéressantes pour les applica-
tions portables de faible capacité mais sont
également trop chers (encadré F, Accumu-
lateurs, piles et batteries : des perfor-
mances en constante amélioration).
Des expériences sont menées dans cer-
tains pays du Nord (Allemagne, Finlande)
pour utiliser la pile à combustible comme
générateur associé à un stockage conven-
tionnel. Dans ce cas le stockage est assuré
par des réserves d’hydrogène produit par des
électrolyseurs alimentés à partir de généra-
teurs photovoltaïques. Cette forme de stoc-
kage inter-saisonnier ne présente pas d’auto-
décharge. Si les prix étaient suffisamment
compétitifs pour compenser le faible rende-
ment actuel de cette technologie, celle-ci per-
mettrait de résoudre sous nos latitudes les
problèmes liés à la variation de production
électrique entre été et hiver.
Les systèmes autonomes utiliseront des
batteries au plomb à plaques planes de type
démarrage pour les installations d’une puis-
sance crête installée proche de la centaine
de watts. Les installations plus importantes
seront équipées de batteries à plaques tubu-
laires plus adaptées au cyclage journalier
mais d’un coût du kilowattheure stocké de
1,5 à 2 fois plus élevé. Ce type de batterie
équipe les installations de plusieurs cen-
taines de watts à plusieurs kilowatts crête
et toutes les applications professionnelles
pour des raisons de fiabilité et de sécurité
(relais hertziens de télévision et de télé-
communications, phares maritimes). La bat-
terie au plomb “étanche” est utilisée essen-
tiellement dans des environnements
contraignants ne permettant qu’une main-
tenance très espacée comme l’équipement
de balises maritimes ou dans des installa-
tions confinées.
Le stockage dans un système photovol-
taïque contribue pour une part non négli-
geable au coût total d’exploitation par ses
remplacements successifs durant la durée de
vie d’un système. En effet, suivant la tech-
nologie et l’utilisation des batteries au plomb,
leur durée de vie peut varier entre 2 et 15 ans.
En outre, le coût total du stockage ne suit
pas la même baisse que celle obtenue sur les
autres composants d’un système photovol-
taïque. Un des objectifs actuels est de doubler
la durée de vie des batteries bon marché de
conception proche des batteries de démar-
rage et de prolonger à 20 ans les batteries
industrielles de type stationnaire à plaques
positives tubulaires. Pour ce faire, la
recherche au niveau des industriels porte sur
la conception de nouveaux produits plus
adaptés aux contraintes des applications pho-
tovoltaïques.
Mieux gérer la vie des batteries
Un deuxième axe de travail concerne
l’amélioration des systèmes de gestion de la
batterie ; il s’agit de préserver celle-ci en la
faisant travailler dans les domaines d’état de
charge les moins contraignants. Ces amélio-
rations nécessitent une meilleure connais-
sance des dégradations observées sur site.
Les travaux menés actuellement au Genec
dans le cadre de contrats avec l’Ademe, EDF,
la Commission européenne et les industriels,
permettent d’identifier et d’étudier les para-
mètres influents qui sont à l’origine des
mécanismes de dégradation.
Les dommages observés, sur des batteries
de retour de terrain, sont essentiellement la
sulfatation dure, la décohésion de la matière
active et, dans une moindre mesure, la cor-
rosion des grilles. Pour mener à bien ces tra-
vaux, le laboratoire dispose de moyens en
cyclage charge-décharge, en étude électro-
chimique, en caractérisation optique et chi-
mique. Les connaissances acquises permet-
tront la modélisation de ces mécanismes et
leur intégration dans des algorithmes de ges-
tion adaptative qui évoluera en fonction des
contraintes réellement subies par la batterie
soumise aux conditions particulières d’ex-
ploitation. Celle-ci sera alors gérée suivant
son propre état, son propre comportement et
non plus en fonction de paramètres prééta-
blis lors de son installation, ce qui contribuera
fortement à l’amélioration du service rendu et
à terme de la durée de vie du stockage. ●
Pascal Boulanger et Daniel Desmettre
Genec
Direction de la recherche technologique
CEA/Cadarache
CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001
Essais sur un prototype
de batterie au Genec.
CEA/GENEC

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  • 1. CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001 25 L’ÉNERGIE SOLAIRE L’électricité solaire thermodynamique La concentration du rayonnement solaire sur un seul foyer permet d’atteindre des tem- pératures élevées. Ce principe, connu depuis l’Antiquité, utilise des capteurs paraboliques, cylindro-paraboliques, ou des centrales dites “à tour”, pour lesquelles une multitude d’héliostats orientables concentrent l’énergie solaire sur une chaudière unique située sur une tour. Il permet le réchauffement de fluides calopor- teurs, en général de l’huile ou des sels fondus, dans une gamme de température allant de 250 à 800 °C, selon les techniques utilisées. Ces fluides viennent ensuite chauffer de la vapeur d’eau, qui entraîne un turboalternateur, comme dans les centrales thermiques conventionnelles. Des unités prototypes de l’ordre de quelques dizaines de kilowatts (kW) à une dizaine de mégawatts (MW) ont été construites à travers le monde au cours des deux décennies écoulées. Dans les Pyrénées, la centrale Thémis, d’une puissance de 2 MW, a fonctionné au début des années 80. Le plus grand développement commercial a toutefois été réalisé par la société Luz Corp., qui a construit au cours de la même décennie trois centrales à capteurs cylindro- paraboliques totalisant une puissance élec- trique nominale de 354 MWe, et fournissant au réseau de Southern California Edison - qui alimente Los Angeles – une électricité de pointe durant les après-midi d’été. Malgré la faillite du constructeur il y a dix ans, ces centrales n’ont cessé d’être exploitées et de voir leur productivité s’améliorer. Elles témoignent maintenant de la relative matu- rité de cette filière avec des prix de revient de l’électricité autour de 0,1 euro le kWh. LES TROIS VOIES DE L’ÉNERGIE SOLAIRE Les trois façons d’utiliser “directement” l’énergie solaire font l’objet de nouveaux développements pour améliorer leurs performances et surtout leur compétitivité économique. La plus ancienne, l’utilisation thermodynamique, connue depuis l’Antiquité, a eu naguère son heure de gloire avec des installations comme, en France, le four d’Odeillo ou la centrale Thémis. L’utilisation thermique, pour le chauffage direct de locaux ou de circuits d’eau, reste une solution attractive que garanties, subventions et améliorations technologiques contribuent à relancer. La trans- formation directe du rayonnement solaire en électricité, le photovoltaïque, constitue la voie potentiellement la plus riche de progrès. Le CEA travaille depuis une dizaine d’années (encadré p. 26) à en développer les avantages et à en alléger les contraintes. CEA/Coulon Cellules photovoltaïques en silicium polycristallin testées au CEA par le Genec à Cadarache (Bouches-du-Rhône). Un potentiel d’amélioration de 20 à 30 % reste envisageable, notamment via la pro- duction directe de vapeur dans les capteurs, et l’optimisation des miroirs. Les États-Unis, Israël et, pour l’Europe, l’Allemagne et l’Es- pagne mènent conjointement des recherches sur ces thèmes. Dans le cadre des facilités financières offertes par le Fonds pour l’envi- ronnement mondial, des réalisations sont annoncées d’ici deux à trois ans dans plusieurs pays tels que l’Égypte, l’Inde et le Brésil. L’énergie solaire thermique L’énergie solaire thermique s’utilise prin- cipalement au travers de deux applications : le chauffage de l’eau chaude sanitaire et le chauffage des locaux. Pour ces utilisations, les capteurs vitrés utilisés offrent des rende- ments de l’ordre de 50 % aux températures
  • 2. CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001 recherchées. Quatre mètres carrés permet- tent de répondre aux besoins en eau chaude d’une famille de quatre personnes, pour un investissement moyen de 3 000 euro, et dix à vingt mètres carrés assurent le chauffage d’une maison individuelle. Un chauffage d’appoint est nécessaire pour les périodes climatiques les plus défavorables, et en moyenne sur l’année, une installation de chauffage solaire procure un taux de couver- ture des besoins, donc une économie sur la facture, de l’ordre de 50 à 60 %. Selon les types d’énergie d’appoint et d’énergie substi- tuée, les temps de retour s’étalent de 6 à 12 ans. De tels capteurs thermiques produisent annuellement de 200 à 800 kWh par m2, selon les besoins et les modes d’utilisation. Les valeurs les plus basses correspondent à des usages épisodiques d’eau chaude sani- taire à température élevée (supérieure à 55 °C), les plus fortes étant obtenues dans le cas de chauffage continu à basse tempé- rature. Pour ce type d’application, souvent appelée “plancher solaire direct”, le fluide caloporteur issu des capteurs est injecté direc- tement dans le plancher des bâtiments à une température de 25 à 30 °C. Cette conception conduit d’une part à des habitations très confortables, d’autre part à une rentabilité technico-économique des meilleures. Le développement du marché européen a été relativement stagnant autour de 250 000 m2 par an dans les années 80, suite à de nombreuses contre-références, liées à un manque de formation des installateurs. Mais l’introduction de nouveaux concepts comme la garantie de résultats solaires et l’activité des marchés allemand, autrichien et hollan- dais au cours de la décennie 90 ont induit une forte croissance, avec une augmentation des surfaces vendues d’un facteur 2 à 4 sur les cinq dernières années par rapport à la décen- nie précédente. À court terme, le marché annuel européen est estimé à plusieurs mil- lions de m2. En France, le récent programme national Helios 2006 vise à favoriser une dif- fusion plus large de ces produits en apportant une contribution financière aux usagers. Les développements technologiques en cours ont pour objectif de baisser les coûts, via une meilleure facilité d’intégration et de mise en œuvre dans le bâti. L’électricité solaire photovoltaïque Réels avantages et vraies contraintes L’énergie solaire photovoltaïque est un moyen intéressant de réduire les coûts de dis- tribution de l’électricité dans certaines régions. Particulièrement disponible dans la plupart des pays situés entre l’équateur et les 45e parallèles, c’est une source d’énergie d’une fiabilité remarquable qui présente un bilan énergétique et environnemental tout à fait favorable (encadré C, Comment fonc- tionne une cellule solaire photovoltaïque ?). L’énergie solaire est une ressource relati- vement bien répartie géographiquement, et donc disponible en de multiples endroits. Dès lors, l’utilisation de cellules ou de modules photovoltaïques permet la produc- tion d’électricité “sur place”, à proximité immédiate des besoins. C’est là l’atout essen- tiel de l’électricité solaire : elle permet d’évi- ter les coûts de distribution inhérents aux solutions conventionnelles, que ce soit l’uti- lisation de groupes électrogènes alimentés par énergies fossiles (diesel, essence ou gaz), ou l’extension d’un réseau électrique prin- cipal jusqu’au lieu d’utilisation. En effet, dans le premier cas, il est néces- saire de prendre en compte la disponibilité et le coût d’approvisionnement du combus- tible jusqu’au site concerné ainsi que la main- tenance périodique. Dans le second cas, les coûts de l’extension ou du renforcement d’une ligne renchérissent de manière très importante le prix du kWh, surtout si les besoins sont faibles. S’ils sont importants, l’amortissement sur chaque kWh sera pro- portionnellement réduit. L’absence de tout mouvement mécanique ou de circulation de fluide confère à l’élec- tricité photovoltaïque une fiabilité excep- tionnelle : les modules les plus vendus, à base de silicium cristallin, font maintenant couramment l’objet de garanties de l’ordre de vingt ans, pour des durées de vie escomp- tées largement supérieures. Le bilan éner- gétique est favorable, puisqu’un module photovoltaïque rend l’énergie nécessaire à sa fabrication en deux à quatre ans d’expo- sition au soleil, selon sa technologie de fabrication. L’ÉNERGIE SOLAIRE 26 B. Charlon/GAMMA Miroirs orientables sur le site de la centrale solaire Thémis, exemple d’application de l’élec- tricité solaire thermodynamique. Les dix ans du Genec Le Genec (Groupement pour les éner- gies nouvelles de l’établissement de Cadarache), créé en 1991 sous le nom de Groupement énergétique de Cada- rache, est chargé de la recherche et du développement technologique dans le domaine de l’utilisation rationnelle de l’énergie solaire photovoltaïque et ther- mique. Fruit d’une collaboration entre le CEA et l’Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (Ademe), il a accumulé une large expérience dans les essais en laboratoire et en enso- leillement réel ainsi que dans l’assis- tance technique aux programmes d’élec- trification photovoltaïque, en particulier dans les pays en développement. Un Club d’utilisateurs regroupe les industriels et les organismes collabo- rant avec le groupement en vue d’op- timiser les travaux et l’information et de créer des partenariats.
  • 3. 27 Le principal facteur limitant la faisabilité d’un système photovoltaïque est la quantité d’énergie souhaitée, qui doit correspondre aux possibilités de la ressource. Pour don- ner quelques ordres de grandeur, des besoins d’éclairage se montant à quelques heures par jour nécessiteront un “productible” quoti- dien de quelques dizaines de Wh, ce qui cor- respond à une surface de modules photo- voltaïques nettement inférieure à un mètre carré. Les besoins domestiques liés à un niveau de confort moderne incluant télévi- sion, hifi et électroménager, ou une installa- tion de pompage pour une distribution d’eau villageoise demanderont plusieurs kWh, voire, dans certains cas, une dizaine de kWh par jour. Dans tous ces cas de figure, des ins- tallations de l’ordre du m2 ou de la dizaine de m2 font l’affaire, et celles-ci posent rarement des difficultés d’intégration. En revanche, l’utilisation de l’électricité solaire est rarement économique pour des besoins supérieurs, dès lors qu’ils sont concentrés en un seul point : cette source d’énergie n’est pas appropriée aux fortes intensités énergétiques. L’électricité solaire photovoltaïque peut être utilisée de deux manières : pour la four- niture d’électricité en sites isolés ou pour l’in- jection d’électricité sur un réseau électrique. Montée en puissance de l’alimentation des sites isolés La première application est la plus ancienne et la plus répandue au regard des millions de systèmes installés à travers le monde. Ce type d’application a commencé dès les années soixante pour les satellites, où les modules solaires photovoltaïques se sont imposés face à la plupart des autres solu- tions, principalement pour des questions de poids et de fiabilité. Les premières applications terrestres se sont répandues dans les années soixante-dix, essentiellement pour des besoins profes- sionnels (alimentation de stations météoro- logiques ou de relais de télécommunications). Les années quatre-vingt ont vu l’apparition successive de nombreuses niches de mar- ché : le balisage maritime et aérien, la pro- tection cathodique des oléoducs ou des pylônes, le mobilier urbain et surtout l’élec- trification rurale, qui englobe principalement des besoins tels que l’éclairage domestique, l’audiovisuel et le pompage de l’eau. L’ap- provisionnement en eau des sites isolés et son traitement en vue de la rendre potable représenteront dans un avenir proche un mar- ché très important tant les difficultés envi- ronnementales sur ce thème sont prévisibles. Les années les plus récentes auront per- mis une montée en puissance du nombre de réalisations dans chacun de ces secteurs. En France, 90 % des balises maritimes sont ainsi équipées. Dans les pays en développement, toutes les stations de télécommunications ou les relais hertziens utilisent cette source d’énergie. Les programmes d’électrification rurale se réalisent maintenant par tranches de plusieurs milliers de systèmes. La caractéristique principale de cette pre- mière catégorie d’applications de l’électri- cité solaire est qu’elle nécessite l’utilisation de batteries lorsque le besoin d’électricité n’est pas en phase avec la production, la res- source, autrement dit le soleil (encadré F, Accumulateurs, piles et batteries : des per- formances en constante amélioration). Croissance accélérée pour l’électricité “au fil du soleil” La seconde application, plus récente et donc pour l’instant moins développée, béné- ficie d’un taux de croissance encore plus rapide. Il s’agit dans ce cas de transformer directement le courant continu des modules photovoltaïques en courant alternatif iden- tique à celui qui est utilisé dans les réseaux électriques basse tension. L’électricité ainsi produite “au fil du soleil” est soit consom- mée sur place, soit injectée dans le réseau. L’intérêt économique et l’engouement actuel pour cette solution viennent du fait que l’élec- tricité ainsi produite peut être vendue à la compagnie de distribution d’électricité. Ce “couplage” au réseau peut se faire de façon centralisée avec des centrales photo- voltaïques de quelques mégawatts : des cen- trales de puissance ont ainsi été réalisées aux États-Unis au milieu des années 80. L’ap- proche complémentaire utilise le caractère réparti de la ressource et se décline en réa- lisations “domestiques”, c’est-à-dire d’en- viron quelques kilowatts. Les précurseurs en matière de “toits solaires” ont été la Suisse et l’Allemagne à la fin des années quatre-vingt. Quelques opérations ou programmes de démonstration, intégrant des installations de modules en façade de bâtiment ou en toiture ont eu lieu au cours des années quatre-vingt- dix. À l’heure actuelle, des programmes importants sont en phase de réalisation, au CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001 CEA/Coulon Essai sur le simulateur solaire du CEA/Cadarache d’un modèle de toit à double paroi permettant aux courants d’air naturels (créés ici par des hélices) d’abaisser la température dans une habitation.
  • 4. CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001 Japon et en Europe du Nord principalement, sur un rythme de l’ordre du millier de sys- tèmes montés en toiture chaque mois. Des prix de revient en baisse régulière En 1999, le marché a représenté un volume de 200 MW de puissance de module, et un chiffre d’affaires total du secteur pho- tovoltaïque de plus de 1,5 milliard d’euro. La croissance est forte, de 18 % par an en moyenne sur les dix dernières années, et en accélération : + 27 % sur les cinq dernières années, et + 34 % par an sur les trois der- nières. Le lancement des programmes de dif- fusion à grande échelle des toits photovol- taïques au Japon puis en Allemagne en est à l’origine. Des projections pour l’année 2010, éta- blies sur des hypothèses de croissance de 20 et 25 % par an, donnent respectivement un marché annuel de 1 500 et 2 300 MW. Pour 2020, selon les mêmes estimations, le mar- ché serait compris entre 9 et 21 GW. À l’heure actuelle, les principaux pays pro- ducteurs sont par ordre d’importance le Japon, les États-Unis et l’Europe, avec des parts de marché respectives de 40, 30 et 28 L’ÉNERGIE SOLAIRE CEA/GENEC Lampadaires alimentés individuellement par des cellules photovoltaïques à Antibes (Alpes-Maritimes). 20 %. Les principaux acteurs sont de grands groupes industriels pétroliers ou de l’élec- tronique : BP Amoco, Siemens, Kyocera, Sharp et Sanyo. Photowatt, entreprise d’ori- gine française implantée en Rhône-Alpes, se situe au premier rang européen et au sep- tième rang mondial. Les prix de vente des modules sur le mar- ché international se situent actuellement autour de 3,35 euro le watt (prix sortie usine, en grande série). L’observation des prix et des volumes de ventes sur les vingt dernières années montre une évolution régulière, cor- respondant à une division des prix par deux tous les dix ans. La projection vers le futur conduit ainsi à un prix de l’ordre de 1,5 euro le watt en 2010. Pour un système photovol- taïque couplé au réseau de quelques kW, le prix de revient pour l’usager, installation et onduleur compris, est de l’ordre du double du prix du module sortie usine, soit un peu plus de 6 euro le watt. Pour un système avec stockage sur batterie, les prix varient selon les applications entre 9 et 12 euro le watt. ● Philippe Malbranche et Olivier Dieudonné Genec Direction de la recherche technologique CEA/Cadarache
  • 5. CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001 29 Du lingot à la plaquette Une cellule photovoltaïque présente la propriété de convertir directement les rayons solaires en électricité (encadré C, Comment fonctionne une cellule solaire photovol- taïque ?). Sur le plan électronique, c’est une diode. Le matériau semi-conducteur le plus largement utilisé pour sa fabrication est le silicium cristallin : sa largeur de bande inter- dite en fait un des matériaux permettant les plus forts rendements de conversion, sa technologie est bien maîtrisée, et il est très abondant. Actuellement, plus de 80 % des cellules sont faites avec du silicium cristal- lin. Le silicium amorphe ne représente qu’environ 10 % du marché, les cellules faites avec ce matériau ayant des rendements de conversion moitié de ceux des cellules en sili- cium cristallin. La part des autres matériaux (CdTe, CIS, etc.) est encore faible. Les cellules photovoltaïques sont réalisées dans des plaquettes de silicium très fines (épaisseur de 200 à 350 µm, pour une surface allant de 10 x 10 cm2 à 15 x 15 cm2), décou- pées dans des lingots de silicium monocris- tallin ou multicristallin. Le procédé Czo- chralski (CZ) permet de fabriquer les lingots monocristallins. Un germe lui-même mono- cristallin, trempé à la surface d’un bain de sili- cium faiblement surchauffé contenu dans un creuset en silice, est tiré à vitesse continue. La solidification a lieu et reproduit le motif cristallin du germe. Si les conditions de tirage sont bien contrôlées, l’opération produit une billette de silicium monocristallin sans défauts. Le procédé permet d’obtenir des cellules de très bon rendement de conversion (16 à 17 % en production) mais reste relativement cher. Le procédé de fabrication des lingots de silicium multicristallin est basé sur la fusion de silicium dans des creusets en silice. Cette méthode consiste à refroidir très lentement du silicium liquide suivant une direction donnée afin d’obtenir une structure de solidification orientée uniformément suivant cette direction. Elle donne un lingot aux grains relativement gros (1 cm) qui permettent d’obtenir des cel- lules avec un bon rendement (14 %). C’est un procédé lent mais de faible coût. Les modules solaires photovoltaïques : du silicium cristallin aux couches minces Les cellules solaires photovoltaïques utilisent actuellement le silicium comme matière pre- mière, comme la plupart des composants de la microélectronique. Après avoir utilisé les rebuts de fabrication de cette dernière, leur production tend à suivre ses propres spécifications et à adop- ter des voies nouvelles, dont les couches minces, voire l’utilisation de matières plastiques. Le CEA s’est engagé dans plusieurs de ces voies. CEA/Coulon De la pierre de silice au bloc de silicium. Le silicium obtenu doit être très pur, car la présence d’impuretés même à des taux très faibles réduit le rendement des cellules : les concentrations en impuretés tolérées vont de 0,1 à quelques dizaines de ppm (parties par million) et même de l’ordre de quelques dizaines de ppb (parties par milliard) pour cer- taines impuretés.Après solidification, les blocs de silicium cristallin obtenus sont découpés en lingots, puis en plaquettes. La découpe des plaquettes, réalisée par une scie à fil, est longue et coûteuse en matériau : le trait de scie fait environ 200 µm de large, et pratiquement la moitié du silicium est perdue. Cellules et modules Globalement, la fabrication des plaquettes de silicium représente 40 % du prix du module, élément qui remplit plusieurs fonc- tions : connecter les cellules entre elles de manière à fournir la tension voulue (typique- ment 36 cellules en série pour une sortie sur 12 V) et les protéger contre les agressions de l’environnement (érosion, humidité, grêle, sel, UV, etc.). Pour en réduire le coût, des gains doivent être recherchés à toutes les étapes : la purification du silicium, la fabrication des lin- gots et la découpe des plaquettes. Une solution
  • 6. CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001 séduisante consiste à produire des rubans de silicium, permettant de s’affranchir de l’étape de découpe de plaquettes. Cependant cette technique, largement développée au cours des vingt dernières années, n’a pas réussi à s’im- poser, en raison notamment de la moins bonne qualité du silicium obtenu. Le bon fonctionnement d’une cellule nécessite plusieurs fonctions : une absorp- tion maximum de la lumière sur tout le spectre solaire, une collecte efficace des porteurs (électrons et trous) générés par les photons et l’établissement d’une connexion électrique avec le circuit exté- rieur. La première étape de sa fabrication est donc une attaque chimique de la sur- face pour la nettoyer et la rendre rugueuse, donc peu réfléchissante. La jonction est ensuite formée par diffusion de dopants (les plaquettes utilisées sont généralement dopées p, mais du phosphore est introduit par diffusion afin de doper n le silicium sur une profondeur de l’ordre du micromètre) et un dépôt anti-réfléchissant est effectué. Les grilles métalliques servant à collecter le courant, très étroites afin de ne pas créer un effet d’ombrage important, sont ensuite réalisées par sérigraphie. Un recuit permet alors la formation du contact électrique entre le silicium et les grilles collectrices. Les rendements de conversion de ces cel- lules sont de l’ordre de 14 à 17 %, selon la nature du matériau utilisé (multi ou mono- cristallin) et le procédé de fabrication de la cellule. Un ruban d’aluminium destiné à réaliser les interconnexions entre cellules est ensuite soudé sur les grilles. Puis les cellules sont testées individuellement, triées selon leurs rendements de conversion, et assemblées en modules. La face éclairée des cellules est collée sur un verre trempé qui assure la protection mécanique. L’ar- rière des cellules est protégé par une feuille de verre ou de plastique. Les collages sont réalisés par un polymère qui assure la pro- tection contre l’humidité. 30 L’ÉNERGIE SOLAIRE Comment fonctionne une cellule solaire photovoltaïque ? Le silicium a été choisi pour réaliser les cellules solaires photovoltaïques pour ses propriétés électroniques, caractéri- sées par la présence de quatre électrons sur sa couche périphérique (colonne IV du tableau de Mendeleiev). Dans le silicium solide, chaque atome est lié à quatre voisins, et tous les électrons de la couche péri- phérique participent aux liai- sons. Si un atome de silicium est remplacé par un atome de la colonne V (phosphore par exemple), un des élec- trons ne participe pas aux liaisons ; il peut donc se déplacer dans le réseau. Il y a conduction par un élec- tron, et le semiconducteur est dit dopé de type n. Si au contraire un atome de sili- cium est remplacé par un atome de la colonne III (bore par exemple), il manque un électron pour réaliser toutes les liaisons, et un électron peut venir combler ce manque. On dit C alors qu’il y a conduction par un trou, et le semiconducteur est dit dopé de type p. Les atomes tels que le bore ou le phos- phore sont des dopants du silicium. matériau p. La zone initialement dopée n devient chargée positivement, et la zone initialement dopée p devient char- gée négativement. Il se crée donc un champ électrique entre les zones n et p, qui tend à repousser les électrons dans la zone n et un équi- libre s’établit. Une jonction a été créée, et en ajoutant des contacts métalliques sur les zones n et p, c’est une diode qui est obtenue. Lorsque cette diode est éclairée, les photons sont absorbés par le matériau et chaque photon donne nais- sance à un électron et un trou (on parle de paire électron-trou). La jonction de la diode sépare les élec- trons et les trous, donnant naissance à une différence de potentiel entre les contacts n et p, et un courant circule si une résistance est placée entre les contacts de la diode (figure). - + - + I contact sur zone n contact sur zone p zone dopée n absorption des photons génération des porteurs collecte des porteurs zone dopée p Lorsqu’un semiconducteur de type n est mis en contact avec un semicon- ducteur de type p, les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le Cellules de silicium cristallin assemblées en modules sur le site d’expérimentation du CEA/Cadarache. J.-F. Mutzig
  • 7. CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001 31 Les verrous technologiques Jusqu’à présent, les volumes de silicium utilisés par l’industrie photovoltaïque étaient faibles (3 000 tonnes par an, soit de l’ordre de 10 % de la consommation de silicium de la microélectronique), et le silicium provenait des rebuts (têtes et queues de lingots, sili- cium polycristallin) de la microélectronique, qui fournissaient un silicium d’une pureté de quelques ppb, supérieure à celle deman- dée par les cellules photovoltaïques. Mais les prévisions de croissance du photovol- taïque rendent maintenant nécessaire une source autonome produisant à un faible coût un silicium de pureté adaptée à ses besoins. Parmi les alternatives possibles à l’utilisa- tion des rejets de la microélectronique, le procédé à lit fluidisé utilisant comme maté- riau de base le silicium métallurgique semble le plus prometteur. Il permettrait d’élaborer du silicium de qualité satisfaisante à un coût accessible. Le groupe chimique allemand Bayer étudie actuellement l’industrialisation de ce procédé. Le procédé actuel de fabrication des lin- gots est lent. L’industrie s’oriente vers des méthodes de coulée continue en creuset froid : le silicium fondu y est introduit, confiné par un champ électromagnétique et solidifié sans contact avec les parois. Il est ainsi possible d’obtenir en continu des lingots de grande dimension (35 × 35 cm2 de section et 3 m de longueur) ayant une structure cristalline com- patible avec les applications photovoltaïques. Ce type de procédé présente plusieurs avan- tages par rapport aux procédés classiques. Il évite toute contamination par le creuset grâce au confinement électromagnétique, sa pro- ductivité est multipliée par 10 et l’homogé- néité du lingot permet d’obtenir des cellules au rendement de conversion très ciblé et d’abandonner le tri des cellules. Les cellules à concentration Dans un système à concentration, une cellule de petite taille est placée au foyer d’une optique (figure 1). La surface de la cellule silicium est donc divisée par le fac- teur de concentration, qui peut aller jusqu’à 300. La cellule peut être réalisée dans du silicium de très bonne qualité avec les tech- nologies de la microélectronique, ce qui autorise des rendements de conversion plus élevés (supérieurs à 20 %) que ceux des cel- lules utilisées sans concentration (15 %). Le système doit toutefois être placé sur un support orientable pour suivre le soleil. Le coût du système est alors essentiellement déterminé par l’optique, qui peut être réa- lisée en plastique, et donc être peu chère, par l’assemblage et par le système de suivi. Les systèmes à faible concentration (moins de 50) utilisent des optiques cylindriques qui nécessitent un suivi du soleil suivant un axe ; les systèmes à forte concentration (plus de 100) un suivi selon deux axes. Cette approche, particulièrement adaptée à la pro- duction d’électricité dans des micro-cen- trales, devrait permettre de réduire le coût de l’énergie produite. Pour améliorer les sys- tèmes à concentration, on cherche bien sûr à augmenter les rendements des cellules, mais aussi à développer des systèmes optiques ayant des focales plus courtes afin de réduire l’épaisseur et donc l’encombre- ment des panneaux. Les voies du futur : les modules en couches minces Les verrous scientifiques et technologiques La faible consommation de matière, l’éla- boration directe du matériau par les tech- niques de dépôt usuelles sur un matériau sup- PHOTOWATT INTERNATIONAL Cellule en silicium multicristallin de 100 mm. optique de concentration cellule silicium Figure 1. Schéma de principe d’une cellule à concentration.
  • 8. CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001 port de faible coût comme le verre, l’acier ou un polymère, sans avoir besoin d’autres étapes de mise en forme coûteuses comme le sciage, font de la technologie en couche mince une solution particulièrement attractive pour les cellules photovoltaïques (encadré). Le silicium cristallin, de par sa structure de bandes électroniques, n’est pas naturelle- ment le matériau semi-conducteur adapté à la conversion photovoltaïque en couche mince. Les profondeurs d’absorption pour la partie du spectre solaire se situant dans le proche infrarouge sont en effet élevées et se chif- frent en dizaines de microns. Les cellules au silicium monocristallin en film mince ont cependant leur intérêt, comme nous le ver- rons plus loin. Pour avoir une cellule couche mince, il faut de préférence utiliser des semi-conducteurs ayant une bande électronique interdite directe (et non indirecte comme le silicium) et de valeur adaptée au spectre solaire (de l’ordre de 1,5 eV). Avec de tels matériaux, tout le spectre solaire peut être absorbé dans une épaisseur de l’ordre du micromètre. De plus, la faible profondeur d’absorption rend la cellule relativement tolé- rante à la présence de défauts agissant comme centres de recombinaison des porteurs de charge (électrons et trous). De très nombreux efforts de recherche ont donc été entrepris sur un assez grand nombre de matériaux depuis une quarantaine d’années, afin d’arriver à des cellules photovoltaïques en couche mince possédant, à la fois, un bon ren- dement de conversion et un faible coût. Histo- riquement, deux matériaux ont été particuliè- rement étudiés et ont fait l’objet d’une industrialisation : le silicium amorphe et le tel- lurure de cadmium (CdTe), tous deux déposés sur verre. Malgré les efforts entrepris, le ren- dement maximum de ce type de cellules, pour des tailles significatives, reste malheureuse- ment limité. Ceci tient à la difficulté d’obtenir ce type de matériaux avec une faible densité de défauts et, par là, de bonnes propriétés élec- troniques. Le silicium amorphe souffre de plus d’un effet de vieillissement lié à l’instabilité de l’hydrogène dans sa structure et la présence du cadmium, un métal lourd de toxicité com- parable à celle du mercure, rend le CdTe rela- tivement inapproprié à une application grand public. Récemment, des avancées remarquables ont été obtenues sur un autre type de matériaux, les chalcopyrites, avec comme référence le diséléniure de cuivre et d’indium (CuInSe2) ou CIS. Cette filière est donc devenue rapide- ment la filière couche mince de référence. Mais tout n’est pas dit et les efforts se poursuivent dans de nombreuses autres direc- tions : fabrication de matériau silicium avec des grains de taille très faible amenant à une modification de la structure de bande élec- tronique (silicium dit “microcristallin”), cel- lules multi-jonctions à base d’alliages sili- cium-germanium amorphes, cellules à base de matériaux semi-conducteurs organiques. Un des gros enjeux de la filière couche mince est également lié à la possibilité de réaliser ces couches directement sur un matériau souple permettant ensuite de recouvrir un matériau de construction. Ceci pose un autre défi, celui de trouver des polymères de support étanches à l’humidité et donc permettant de prévenir toute corrosion et toute dégradation du matériau semi- conducteur et des connexions électriques. Le champ des recherches sur ces matériaux couches minces reste relativement ouvert. Toute la gamme des matériaux possibles n’a pas été étudiée en détail. De nombreux efforts sont encore nécessaires pour obtenir une mise en œuvre assurant à la fois le coût minimum et le rendement maximum. Enfin les méca- nismes physiques élémentaires commandant les rendements initiaux et les facteurs de 32 L’ÉNERGIE SOLAIRE (0,3 ) (0,005 ) (2 ) (1 ) (3000 ) contact supérieur ZnO jonction n-CdS/p-CIS couche CIS contact arrière molybdène support verre Figure 2. Schéma de principe de l’empilement d’une cellule photo- voltaïque CIS (diséléniure de cuivre et d’indium) et de l’inter- connexion électrique entre deux cellules en série. L’épaisseur des différentes couches est indiquée entre parenthèses.
  • 9. CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001 33 dégradation sont encore relativement mal compris dans tous les matériaux couches minces étudiés, quelle que soit leur maturité. Les technologies en cours de développement ou d’industrialisation Ces dernières années, alors que le rende- ment de conversion des cellules solaires basées sur les couches minces de CdTe a stagné autour de 16 % en laboratoire, des progrès constants ont été obtenus avec le matériau semi-conduc- teur CIS. Une valeur de rendement de 18,8 %, record pour le domaine des couches minces, a été atteinte en laboratoire pour une cellule de petite dimension. Pour des modules de 30 × 30 cm2 , des performances de 12,8 % sont d’ores et déjà obtenues. De plus, des études fondamentales ont montré que ce matériau a la particularité d’être très stable sous rayonne- ment et qu’il a la propriété de s’autorégéné- rer. Ce phénomène d’autoguérison est expliqué par la structure chalcopyrite de ce matériau, qui n’est pas totalement ordonnée, et par le fait que de nombreux défauts de type lacunes d’atomes ou d’atomes étrangers (sodium, fer, or…) sont présents et que les atomes de cuivre qui le constituent sont relativement mobiles. Ces résultats ont provoqué un regain d’intérêt pour cette filière, en particulier enAllemagne. La structure de l’empilement d’une cel- lule CIS (figure 2) comprend un support en verre et une électrode en molybdène déposée par pulvérisation cathodique. La jonction sulfure de cadmium (CdS) de type n/CIS de type p est obtenue par le dépôt d’une couche de 50 nanomètres de CdS en bain chimique (Chemical Bath Deposition CBD) sur le CIS. Une électrode transparente en oxyde de zinc (ZnO) dopé à l’aluminium constitue le contact supérieur. Plusieurs techniques de dépôt ont été utilisées pour l’obtention de la couche CIS (évaporation sous vide, séléni- sation des précurseurs métalliques, pulvéri- sation cathodique ou par spray, électrodépo- sition). Les meilleures performances sont atteintes avec la technique de co-évapora- tion des éléments. La surface finale de la cel- lule est ensuite encapsulée par une couche polymère et un verre de protection. Les principaux acteurs industriels sont Sie- mens Solar (Allemagne et États-Unis), Wurth Solar (Allemagne) et Matsushita (Japon). En France, il n’y a encore aucun industriel impli- qué dans cette filière, et dans le domaine de la recherche, le laboratoire d’électrochimie de l’ENSCP (École nationale supérieure de chimie Paris) travaille sur ce matériau depuis plusieurs années avec une réputation inter- nationale. EDF, Saint-Gobain Recherche et l’ENSCP participent à un projet permettant le développement en France d’une filière couche mince CIS originale basée sur l’électro- déposition. Cellules au silicium monocristallin en film mince Même si, comme nous l’avons vu, le sili- cium nécessite des épaisseurs de plus de 10 microns pour espérer un rendement de conversion suffisant, une solution très attrac- tive pour réaliser à faible coût des cellules photovoltaïques est de prélever dans une pla- quette de silicium monocristalline un film épais de quelques dizaines de microns et de le rapporter sur un support à faible coût tels le Photowatt-CEA : une coopération qui s’intensifie Les collaborations établies entre Pho- towatt International, premier fabricant européen verticalement intégré de plaques, cellules et modules photovol- taïques, le CEA/Cadarache et le Leti à Grenoble devraient s’intensifier dans les années à venir, dans les domaines de l’intégration des modules dans le bâti- ment et du développement de nouveaux procédés de fabrication des cellules pho- tovoltaïques. Photowatt poursuit sa stra- tégie de croissance sur un marché mon- dial en expansion rapide. Passé de 5 MW de capacité en 1997 à 18 MW aujour- d’hui, Photowatt International propose aussi une gamme élargie de produits avec deux tailles de wafers et cellules et une gamme de modules allant de 10 à plus de 100 watts-crête (Wc). Cela a permis l’élargissement de sa présence géographique : Photowatt est mainte- nant présent à égalité sur les zones Europe (marché du “raccordé réseau”, particulièrement en Allemagne), Amé- rique (grâce notamment à sa maison- mère américaine Matrix Solar Techno- logies, elle-même filiale de la société canadienne Automation Tooling Sys- tems) et Asie/Pacifique (le Japon étant le plus gros marché mondial). Son objec- tif ? Figurer parmi les cinq premiers fabricants mondiaux. Photowatt attache une importance particulière au déve- loppement des nouvelles technologies et des nouveaux procédés de fabrica- tion. L’entreprise consacre, avec la par- ticipation de l’Ademe, environ 15 % de son chiffre d’affaires à la recherche et au développement de la technologie. Ses principaux objectifs pour le court et le moyen terme sont d’une part un four de coulée continue du silicium dans un creuset froid, qui permet de fabriquer des lingots dix fois plus rapidement que la technique utilisée aujourd’hui, avec une réduction d’un facteur 2 de la valeur ajoutée, d’autre part le développement d’un procédé innovant de fabrication des cellules permettant une augmenta- tion significative du rendement de conversion. D’autres projets pour le plus long terme portent sur le raffinage du silicium et le développement de cellules ultra-minces (100 -150 µm). Fabrication de cellules de silicium multicristallin à l’usine Photowatt International de Bourgoin-Jallieu (Isère). PHOTOWATT INTERNATIONAL verre ou la céramique. Ceci permettrait de n’utiliser que la quantité de silicium stricte- ment nécessaire au bon fonctionnement de la cellule et d’éviter les pertes liées au sciage, tout en gardant un matériau et une filière par- ticulièrement fiables et éprouvés. Plusieurs procédés sont en cours d’étude dans plusieurs laboratoires au Japon, en Allemagne, en Aus- tralie et en France. Tous ont en commun la fragilisation du silicium en profondeur de manière à pouvoir ensuite détacher le film de surface situé au dessus de cette zone fra-
  • 10. CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001 gile et de le reporter sur le support à bas coût de grande dimension (figure 3). Avantage supplémentaire : la réalisation des étapes technologiques des cellules se fait à l’échelle d’un module de grande surface et non plus au niveau de chaque tranche de silicium, ce qui permet de réduire de façon significative le coût ramené à l’unité de surface. Le CEA/Leti (Laboratoire d’électronique et de technolo- gie de l’information), qui a joué le rôle de pionnier dans le développement de ce type d’approche pour les applications à la micro- électronique, se propose d’étudier son appli- cation aux cellules photovoltaïques dans le cadre d’un contrat avec l’Ademe, en colla- boration avec l’INSA de Lyon. Les cellules organiques : vers le tout polymère La recherche et développement de cellules solaires à base de matériaux organiques ou de polymères est motivée par les avantages que présentent ces matériaux : faible coût, matière première illimitée, facilité de mise en œuvre, technologies basse température, grandes sur- faces, dispositifs souples... Cette solution 34 L’ÉNERGIE SOLAIRE JKU Linz Cellule photovoltaïque souple développée à l’université de Linz (Autriche). support bas coût silicium monocristallin pavage couche mince technologie cellule Figure 3. Schéma de principe de report de couche mince et de pavage de support bas coût de grande dimension avec réalisation des étapes technologiques de fabrication des cellules à l’échelle du module. permettrait de plus de traiter selon une même technologie le substrat (support mécanique), le matériau actif où a lieu la conversion pho- tovoltaïque et l’encapsulation. Il existe aujourd’hui des cellules photo- voltaïques organiques dont le rendement de conversion dépasse la barre des 10 %. Elles reposent sur la technologie dite de Grätzel qui consiste en une jonction entre un polymère organique et un électrolyte liquide. La génération photovoltaïque se situe dans le polymère et l’électrolyte permet d’assu- rer le transfert de charge et la différence de potentiel (force électromotrice) par sa jonc- tion avec le polymère. Ce type de cellule est développé en Suisse par Solaronix pour les applications basse puissance et en Allemagne par l’INAP (Institut für Angewandte Photo- voltaik) pour les applications haute puissance. La présence de l’électrolyte liquide constitue l’inconvénient majeur de cette technologie avec une faible stabilité en temps (évapora- tion) et une plage de température de fonc- tionnement limitée. La recherche s’oriente donc vers une solu- tion tout polymère. Dans cette filière, les meilleures performances actuelles sont un ren- dement de conversion de 3,6 %. Le nombre de laboratoires travaillant dans le domaine, à un stade encore relativement amont, reste limité, mais les publications, brevets et conférences illustrent l’émergence de cette voie qui pour- rait entrer en phase de développement à une échéance voisine de 2010. Le CEA/Leti a acquis une expérience significative dans ce domaine suite à un contrat européen, le premier sur le sujet. Il a proposé une voie originale pour amé- liorer les performances de collecte des por- teurs de charge dans ce type de structure. Un projet national alliant le Leti, plusieurs labo- ratoires universitaires et le groupe TotalFinaElf est en cours de montage afin de développer des cellules photovoltaïques en polymères pour les applications de production d’énergie. Il s’agit dans un premier temps d’une activité de recherche amont. ● Claude Jaussaud, Jean-Pierre Joly, Alain Million et Jean-Michel Nunzi Laboratoire d’électronique et de technologie de l’information Direction de la recherche technologique CEA/Grenoble
  • 11. CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001 35 L’interface entre l’usager et la ressource Le système photovoltaïque est l’interface entre l’usager et la ressource, il “met en forme” l’énergie captée par les modules pho- tovoltaïques selon les types d’applications. En plus d’une association de modules pho- tovoltaïques, un onduleur permet de conver- tir le courant continu en courant alternatif pour une utilisation sur le réseau électrique. L’usager peut alors consommer l’énergie qu’il produit ou la réinjecter dans le réseau électrique si, par exemple, les conditions de rachat par l’exploitant du réseau lui sont favo- rables. L’onduleur peut entraîner une pompe dans le cas d’un système de pompage dit “au fil du soleil” : de l’eau est alors refoulée dans un réservoir dimensionné selon les besoins du village, pendant la journée, et restituée à la demande. S’il est nécessaire de stocker l’énergie élec- trique produite, un parc de stockage sera introduit. La gestion de ce parc se fera alors via un régulateur : celui-ci se charge lorsque l’ensoleillement le permet, et alimente l’uti- lisation dès que nécessaire. Un tel stockage permet, d’une part de pallier les alternances jour-nuit ainsi que plusieurs jours consécu- tifs de mauvaises conditions météorolo- giques, d’autre part de répondre à des besoins de puissance nettement supérieurs à ce que pourrait fournir instantanément le généra- teur photovoltaïque. Les solutions hybrides Ce type d’architecture se complexifie pour des applications plus importantes : afin d’éviter la mise en place d’un stockage trop imposant, et donc coûteux, un géné- rateur auxiliaire tel qu’un groupe électro- gène peut être retenu. Ce sera alors un sys- tème photovoltaïque dit “hybride”, c’est-à-dire associant un générateur pho- tovoltaïque à une source d’énergie, conven- tionnelle ou non : si les conditions météo- rologiques sont favorables, l’association de plusieurs sources renouvelables (photo- voltaïque, éolienne ou micro-hydraulique) est même envisageable. Les axes de recherche et de développe- ment sur tous ces systèmes visent principa- lement la baisse des prix de revient des ser- vices rendus. Cette baisse s’obtient en jouant sur les couples coûts/performances des com- posants constituant le système mais aussi sur des facteurs plus globaux de gestion et d’ar- chitecture des systèmes. Dans l’ordre d’importance des coûts d’in- vestissement initiaux d’un système photo- voltaïque hybride, par exemple, le généra- teur photovoltaïque représente en moyenne 35 %, le parc batterie 20 %, les autres com- posants 20 %, les sources d’énergie addi- tionnelles (groupe électrogène) 10 %, la logis- tique et l’installation 15 %. L’intégration des coûts de maintenance, d’intervention et de remplacement de matériel (parc de stockage par exemple) bouleverse la ventilation des coûts dits de “cycle de vie” : le parc batterie en représente 50 %, le générateur photovol- taïque 20 %, les sources d’énergie addition- nelles 15 % et les autres composants 10 %, la logistique et l’installation 5 %. La recherche sur les modules photovol- taïques a des retombées directes sur les coûts des systèmes tant en termes d’augmentation des performances et du rendement de conver- sion des cellules (plus de puissance pour un prix constant), qu’en termes de diminution des Les systèmes photovoltaïques Au-delà du module qui porte les cellules exposées au soleil, l’exploitation de l’électricité photovoltaïque passe par des “systèmes” dont le développement futur nécessite, pour chaque composant, un effort de recherche pour améliorer son économie et sa fiabilité. C’est particu- lièrement vrai du chaînon essentiel que constitue le stockage, la contrainte principale pesant sur la filière étant la nécessité de stocker l’électricité entre les périodes d’ensoleillement. Le CEA cherche entre autres à modéliser le fonctionnement des systèmes photovoltaïques en intégrant les évolutions des caractéristiques du stockage au fil du temps. Installation destinée à couvrir les besoins en électricité et en eau d’un camp de vacances pour ado- lescents à Alice Springs, dans le bush australien. Elle associe des modules solaires photovoltaïques, un parc de batteries, un groupe électrogène, une pompe de forage, une unité de dessalement et une réserve d’eau douce. Ph. Malbranche
  • 12. CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001 prix de production en travaillant sur les pro- cédés de fabrication (module photovoltaïque moins cher à puissance équivalente, voir Les modules solaires photovoltaïques : du silicium cristallin aux couches minces). Il est raison- nable aujourd’hui d’estimer qu’une marge de gain existe qui permettrait de réduire de 30 % le coût d’un système complet. Les deux autres axes de recherches les plus importants ne sont pas à négliger. Sur le parc de stockage, le gain potentiel est estimé à 50 % s’il est, par exemple, possible de multiplier par deux la durée de vie de la batterie. Sur les autres com- posants, il s’agit de minimiser les pertes de conversion : les onduleurs dits “solaires” sont bien plus performants que les onduleurs stan- dard. Leur rendement atteint 95 % pour une consommation à vide de quelques pour-cent de leur puissance nominale alors que le ren- dement des onduleurs pour alimentation sans interruption dépasse à peine 80 % avec une consommation à vide supérieure d’un ordre de grandeur. Le prix est en conséquence. Fiabilisation, gestion des flux et nouvelles architectures Dans le cas des systèmes complets, les principaux leviers technologiques qui gui- dent les actions de recherches sont essen- tiellement de trois ordres. Le premier relève de la fiabilité des systèmes. À court et moyen terme, c’est l’un des moyens d’action les plus efficaces : il s’agit par exemple de réduire les fréquences de maintenance sur les sites isolés, ou de conférer à l’ensemble des composants des durées de vie aussi longues que celle des modules photovol- taïques. Cela passe par une meilleure connaissance de la fiabilité du système et la mise en place de dispositifs de surveillance et d’aide à l’utilisateur, mais aussi par une certaine standardisation des composants et une approche d’assurance de la qualité et de normalisation de plus en plus présente. Une partie des études du Groupement pour les énergies nouvelles de l’établissement de Cada- rache (Genec) vise à l’élaboration des normes internationales de tests des systèmes. Le second levier est celui de la gestion des flux énergétiques : à moyen terme, cette solu- tion semble la plus prometteuse. Elle consiste à utiliser au mieux les flux d’énergie de tous les composants, en tentant de faire produire les modules photovoltaïques au plus près de leur puissance maximale, en recherchant une meilleure connaissance de la stratégie de ges- tion des batteries, en optimisant les associa- tions de sources énergétiques en vue de pri- vilégier l’utilisation des énergies renouvelables tout en correspondant à un optimum écono- mique. La mise en œuvre de méthodes de ges- tion “prédictives”, c’est-à-dire visant à pré- voir l’état futur des ressources ou du système, constitue aujourd’hui un axe important des études menées au Genec. Le troisième levier s’exerce sur l’architec- ture globale du système : c’est certainement le point le plus innovant qui donnera le jour à des produits dont l’architecture sera éloignée de celle des premiers systèmes. Cette tendance est très nette pour des applications du type “couplage au réseau”. Des produits de plus en plus diversifiés sont en cours de dévelop- pement pour permettre une intégration plus simple et modulaire dans les bâtiments : tuiles, ardoises ou couvertures “solaires”, fenêtres de toit ou de façade semi-transparentes, et même des composants multifonctionnels assu- rant simultanément une ou plusieurs des fonc- tions telles que rigidité mécanique du bâti- ment, isolation, protection solaire, captation de l’énergie thermique et production d’électri- cité photovoltaïque. Mais c’est aussi le cas pour les autres applications où les réponses techniques permettront au produit final de mieux correspondre aux besoins, voire de trouver de nouvelles applications. Si les améliorations apportées aux sys- tèmes complets sont plutôt liées au processus d’innovation technologique, les gains pres- sentis dans le domaine du stockage électro- chimique – comme celui de la conversion photovoltaïque examiné plus précédem- ment – sont du ressort de la recherche amont. 36 L’ÉNERGIE SOLAIRE Résidence secondaire, dans le centre de la Finlande, alimenté en électricité par un système photo- voltaïque délivrant en été de l’ordre de 5,6 kWh par jour. Les modules de toit assurent également des fonctions de couverture et d’isolation. Neste Oy NAPS Batteries en test accéléré au Genec, au CEA/Cadarache. CEA/GENEC
  • 13. 37 Le stockage de l’électricité d’origine photovoltaïque Les générateurs photovoltaïques auto- nomes ont besoin d’un stockage électrique pour assurer une fourniture d’énergie quasi permanente quelles que soient les séquences d’ensoleillement. Suivant les applications, cette fourniture sera assurée par exemple pendant deux à trois jours pour certains petits systèmes domestiques, et pendant une quin- zaine de jours pour les applications profes- sionnelles comme les phares et balises mari- times. Divers types de batteries Les différentes applications font appel à des batteries de technologie différente afin de garantir le service rendu. Parmi ces technologies, la batterie au plomb, bien que connue depuis plus de cent ans, offre actuel- lement, et pour de longues années encore, la meilleure réponse en termes de prix et de durée de vie. Certains sites où les contraintes d’exploitation et d’environne- ment climatique sont particulièrement sévères peuvent être équipés de batteries au nickel-cadmium mais leur coût prohi- bitif ne permet pas la généralisation de leur utilisation. Les nouveaux couples (lithium- ion, lithium métal hydrure) présentent des solutions intéressantes pour les applica- tions portables de faible capacité mais sont également trop chers (encadré F, Accumu- lateurs, piles et batteries : des perfor- mances en constante amélioration). Des expériences sont menées dans cer- tains pays du Nord (Allemagne, Finlande) pour utiliser la pile à combustible comme générateur associé à un stockage conven- tionnel. Dans ce cas le stockage est assuré par des réserves d’hydrogène produit par des électrolyseurs alimentés à partir de généra- teurs photovoltaïques. Cette forme de stoc- kage inter-saisonnier ne présente pas d’auto- décharge. Si les prix étaient suffisamment compétitifs pour compenser le faible rende- ment actuel de cette technologie, celle-ci per- mettrait de résoudre sous nos latitudes les problèmes liés à la variation de production électrique entre été et hiver. Les systèmes autonomes utiliseront des batteries au plomb à plaques planes de type démarrage pour les installations d’une puis- sance crête installée proche de la centaine de watts. Les installations plus importantes seront équipées de batteries à plaques tubu- laires plus adaptées au cyclage journalier mais d’un coût du kilowattheure stocké de 1,5 à 2 fois plus élevé. Ce type de batterie équipe les installations de plusieurs cen- taines de watts à plusieurs kilowatts crête et toutes les applications professionnelles pour des raisons de fiabilité et de sécurité (relais hertziens de télévision et de télé- communications, phares maritimes). La bat- terie au plomb “étanche” est utilisée essen- tiellement dans des environnements contraignants ne permettant qu’une main- tenance très espacée comme l’équipement de balises maritimes ou dans des installa- tions confinées. Le stockage dans un système photovol- taïque contribue pour une part non négli- geable au coût total d’exploitation par ses remplacements successifs durant la durée de vie d’un système. En effet, suivant la tech- nologie et l’utilisation des batteries au plomb, leur durée de vie peut varier entre 2 et 15 ans. En outre, le coût total du stockage ne suit pas la même baisse que celle obtenue sur les autres composants d’un système photovol- taïque. Un des objectifs actuels est de doubler la durée de vie des batteries bon marché de conception proche des batteries de démar- rage et de prolonger à 20 ans les batteries industrielles de type stationnaire à plaques positives tubulaires. Pour ce faire, la recherche au niveau des industriels porte sur la conception de nouveaux produits plus adaptés aux contraintes des applications pho- tovoltaïques. Mieux gérer la vie des batteries Un deuxième axe de travail concerne l’amélioration des systèmes de gestion de la batterie ; il s’agit de préserver celle-ci en la faisant travailler dans les domaines d’état de charge les moins contraignants. Ces amélio- rations nécessitent une meilleure connais- sance des dégradations observées sur site. Les travaux menés actuellement au Genec dans le cadre de contrats avec l’Ademe, EDF, la Commission européenne et les industriels, permettent d’identifier et d’étudier les para- mètres influents qui sont à l’origine des mécanismes de dégradation. Les dommages observés, sur des batteries de retour de terrain, sont essentiellement la sulfatation dure, la décohésion de la matière active et, dans une moindre mesure, la cor- rosion des grilles. Pour mener à bien ces tra- vaux, le laboratoire dispose de moyens en cyclage charge-décharge, en étude électro- chimique, en caractérisation optique et chi- mique. Les connaissances acquises permet- tront la modélisation de ces mécanismes et leur intégration dans des algorithmes de ges- tion adaptative qui évoluera en fonction des contraintes réellement subies par la batterie soumise aux conditions particulières d’ex- ploitation. Celle-ci sera alors gérée suivant son propre état, son propre comportement et non plus en fonction de paramètres prééta- blis lors de son installation, ce qui contribuera fortement à l’amélioration du service rendu et à terme de la durée de vie du stockage. ● Pascal Boulanger et Daniel Desmettre Genec Direction de la recherche technologique CEA/Cadarache CLEFS CEA - N° 44 - HIVER 2000-2001 Essais sur un prototype de batterie au Genec. CEA/GENEC