Photovoltaïque : quelles technologies pour demain ?


Avec les nouveaux engagements gouvernementaux et les discussions sur la transition énergétique, l’énergie solaire est une alternative qui a ses atouts pour l’avenir. En 2012, la France se place 7e au classement mondial en termes de puissance installée (4000 MW), alors que l’Allemagne est première au classement avec plus de 32 000 MW installés. La filière est en plein développement en France, et l’émergence de nouvelles technologies pour le photovoltaïque sera un facteur important dans la croissance de la part des énergies renouvelables dans le mix électrique français à horizon 2030-2050.

 Le mix électrique en France

Grossièrement, le mix électrique français est composé à 75% d’électricité issue du nucléaire, 10% d’énergies carbonées (charbon, pétrole, gaz) et de 15% d’énergies renouvelables (hydraulique, éolien, solaire…).

La composition actuelle du mix nous place loin derrière certains de nos voisins européens en termes de puissance renouvelable installée, mais la France est meilleure élève en termes d’émissions de CO2 dues à la génération d’électricité et de prix du kWh électrique, et ce, grâce à un mix décarboné à 90%.

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En ce qui concerne le « mix renouvelable français », le solaire photovoltaïque représente seulement 4,4% de la production, mais est en forte progression ces 10 dernières années.

 Les technologies à base de Silicium

Aujourd’hui, plus de 80% du marché photovoltaïque est constitué par les technologies à base de Silicium.

Il existe deux filières principales utilisant du Silicium :

  • Silicium monocristallin  : la plus ancienne, elle permet des rendements de 12-20%, considérés comme bons dans le domaine (de manière simplifiée, le rendement est la quantité d’énergie solaire reçue qui peut être convertie en énergie électrique par le panneau).
  • Silicium polycristallin  : avec des rendements un peu plus faibles que la première génération, mais moins coûteuse à produire.

La durée de vie annoncée par les constructeurs de ces panneaux est de 10 à 20 ans.

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 CdTe, CIGS, CZTS… la filière des « Couches Minces » en émergence

Le développement de nouvelles technologies photovoltaïques se concentre maintenant sur la filière dite « couches minces », qui comprend en réalité beaucoup de technologies différentes.

Les avantages : moins de matériaux nécessaires, plus efficaces que les premières technologies Silicium en conditions de faible éclairage, des durées de vie plus élevées et la possibilité d’avoir des panneaux transparents et « flexibles ». Notons que ces dernières propriétés, la flexibilité et la transparence, pourraient amener à de nouveaux usages des panneaux (écrans de téléphones ou fenêtres photovoltaïques ?).

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La technologie Wysips® peut être intégrée dans les écrans de smartphones pour augmenter leur autonomie

Parmi les technologies couches minces, nous citerons les deux principales qui se partagent près de 15% du marché mondial :

  • Les cellules « CdTe » (Cadmium-Tellure) : avec des rendements plus faibles de l’ordre de 8-11%, une excellente résistance à la température, une meilleure absorption du rayonnement, et une durée de vie qui dépasserait les 25 ans. Cette technologie prometteuse sur le papier implique cependant l’utilisation de matériaux très toxiques (Cadmium), et nécessitera un processus de recyclage bien contrôlé et certainement coûteux.
  • Les cellules « CIGS » (Cuivre Indium Gallium Selenium) : elles présentent un coefficient d’absorption fort par rapport aux autres technologies du marché, et un rendement élevé pour la filière couche mince. Mais, comme la précédente, elle nécessitera un recyclage contrôlé et son prix est encore trop élevé pour être concurrentiel à cause de l’utilisation, entre autres, de Terres Rares comme l’Indium.

Il existe aussi des panneaux de Silicium amorphe sous forme de couches minces (les atomes de Silicium se présentent comme « désordonnés » à la différence de la forme cristallisée), mais présentant des rendements faibles, un processus de production encore mal optimisé et un impact environnemental plus important que les filières Silicium traditionnelles.

Mentionnons aussi l’existence, encore au stade de recherche, de la technologie dite « CZTS » (Zinc, Selenium, Étain, Souffre), qui présente l’avantage d’utiliser des métaux abondants et non toxiques.

Chimie, Nanotechnologies et Physique Quantique au secours du photovoltaïque

Une filière encore au stade de recherche et qui se veut prometteuse pour plusieurs raisons, est la filière des Panneaux Photovoltaïques Organiques (OPV pour les anglo-saxons). Elle utilise des polymères organiques, peu coûteux et faciles à produire, non toxiques et dont il est facile de se débarrasser puisqu’elle n’utilise pas de métaux lourds. Aujourd’hui, les rendements obtenus au laboratoire pour cette technologie avoisinent les 8% et sont en croissance depuis le début de son étude.

Avec l’émergence des nanotechnologies telles que l’utilisation nanotubes de carbone, de fullerènes dans les technologies couches minces, on peut imaginer à l’avenir se débarrasser de l’utilisation des Terres Rares (ressource épuisable aujourd’hui et ayant un impact important sur le prix des nouvelles technologies) et augmenter les rendements des panneaux de ce type.

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Des Quantum Dots peuvent absorber dans l’Ultra Violet et réémettre dans le visible, outre leurs jolies couleurs ils sont la base de la technologie des « boites quantiques » pour le photovoltaïque – Photo : LPEM ESPCI ParisTech

Il existe encore de nombreuses technologies découvertes en laboratoire, mais pour terminer nous citerons les « boites quantiques ». Utilisant ce que l’on appelle des « Colloidal Quantum Dots » (nanoparticules de tailles inférieures à 10nm, 10 milliardièmes de mètre, et possédant des propriétés d’absorption de la lumière particulières), ces « boites quantiques » pourraient atteindre théoriquement des rendements de plus de… 80% !

Outre le fait que le prix de cette technologie devrait être inférieur aux filières Silicium, on imagine bien que si ces rendements sont un jour atteints, le solaire deviendrait plus intéressant que le nucléaire !

En résumé, l’avenir du solaire photovoltaïque dépend principalement de la recherche sur les technologies de demain, qui se veulent prometteuses en termes de rendements, de respect de l’environnement et de coûts de fabrication. Une meilleure intégration du photovoltaïque dans les infrastructures de distribution (stockage avancé, distribution intermittente avec les SmartGrids…) sera aussi un facteur important de son développement.

Sources :

 

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