Japon, Allemagne, Etats-Unis concentrent 90% de la puissance photovoltaïque disponible dans le monde, une forme d'exploitation active de l'énergie solaire dont l'avenir semble prometteur dans ce contexte de réchauffement climatique.
Article rédigé par Jean-François Desessard.
Focus :
Thermique, photovoltaïque, les deux filières du solaire
Deux filières permettent de produire de l'électricité à partir de l'énergie solaire : Le solaire thermique Cette filière consiste à utiliser des dispositifs comme des tours solaires ou des concentrateurs paraboliques grâce auxquels il est possible de concentrer et d'absorber la chaleur du rayonnement solaire pour exploiter ensuite cette énergie afin de faire tourner une turbine et produire de l'électricité. La puissance électrique ainsi produite dans le monde est d'environ 400 MW, dont plus de 85% proviennent d'installations situées en Californie. Soulignons que l'Espagne mène depuis peu un programme de subventions, l'objectif étant d'installer une puissance de 800 MW.
Le solaire photovoltaïque Cette filière qui permet, selon les applications, de produire entre quelques mW et MW de puissance électrique, utilise les propriétés des matériaux semiconducteurs pour convertir directement les quanta de lumière du rayonnement solaire en courant électrique.
Commercialisation de cellules solaires à base de CIS
Le Japonais Showa Selle Sekiyu KK lance la commercialisation de cellules pour panneaux solaires à base de CIS. Le prix de vente de ces panneaux solaires devrait être proche de celui ces panneaux constitués de cellules polycristallines. Dans un premier temps, ils seront proposés sous forme de modules pouvant être fixés sur des toits. A terme, ils pourraient être commercialisés en tant que matériau pour toiture.
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Forme d'exploitation active de l'énergie solaire, le photovoltaïque, longtemps laissé de côté du fait de son très faible rendement, semble aujourd'hui promis à un avenir extrêmement prometteur dans un contexte très favorable au développement des énergies renouvelables. Sur ce marché qui représente environ 7 milliards d'euros à l'échelle de la planète, et dont la progression en volume est de près de 40%, trois pays, l'Allemagne, le Japon et les Etats-Unis détiennent près de 90% de la puissance photovoltaïque disponible dans le monde.
Obtenu par absorption de photons provenant du rayonnement solaire dans un matériau semi-conducteur qui génère alors une tension électrique, l'effet photovoltaïque a été découvert par le physicien français Antoine Becquerel en 1839. Mais tout comme le principe de la pile à combustibles découvert, lui aussi, la même année par le physicien anglais William Growe, les premières applications de l'effet photovoltaïque n'ont vu le jour qu'à la fin des années 1950, suite à la mise au point par les laboratoires Bell des premières cellules photovoltaïques au silicium, dont le rendement n'était alors que de 5%. Ainsi les premiers générateurs photovoltaïques furent implantés à bord de satellites américains comme Vangard !
Les applications photovoltaïques terrestres, elles, ne sont apparues qu'à partir de 1970, pour alimenter en particulier les bouées, les phares et les balises maritimes. Cela dit, en raison de coûts de production très élevés, l'utilisation des cellules photovoltaïques est restée alors limitée à un petit nombre d'applications. Au cours des années suivantes, l'énergie photovoltaïque a été utilisée dans le cadre d'activité de pompage, en particulier en Afrique, dans le Sahel. Mais ce n'est qu'au début des années 1980 qu'ont été construites les premières maisons dotées d'équipements appropriées et mises en place ce qu'on appelle des "électrifications rurales", notamment en Polynésie mais aussi au Kenya et en Inde, dont l'ampleur n'a cessé de croître depuis le début des années 1990. Lancés au Japon et en Allemagne dès 1995, de vastes programmes d'équipement de "toits solaires", raccordés au réseau se sont généralisés au cours de ces dernières années.
Aujourd'hui, l'industrie photovoltaïque repose principalement sur la technologie silicium (monocristallin, multicristallin, silicium amorphe). Ainsi, en 2004, près de 99% des systèmes photovoltaïques ont été fabriqués à base de silicium. Pour autant, si certains experts estiment que cette technologie devrait poursuivre sa domination sur ce marché durant encore au moins une quinzaine d'années, il existe d'autres filières très prometteuses comme celles des cellules couche mince (thin film) ou encore des cellules organiques (voir "Thermique, photovoltaïque, les deux filières du solaire" ci-contre)
Plusieurs technologies concurrentes
Certes, les cellules à base de silicium monocristallin, qui, en 2005, représentaient 29% du marché photovoltaïque mondial, ont une meilleure efficacité et, qui plus est, une excellente stabilité. Rappelons que le rendement des cellules commerciales se situe entre 17 et 20%, d'où une efficacité au niveau des modules qui varie entre 14 et 16%. Quant aux meilleurs prototypes de laboratoire, leur rendement approche les 25%. Néanmoins, le coût élevé du matériau et des procédés de fabrication fait que le produit fini reste onéreux. D'où l'alternative du silicium multicristallin. Obtenu par refonte des chutes de silicium de l'industrie de la microélectronique, celui-ci représente aujourd'hui 62% du marché photovoltaïque mondial. Pour autant, si ce procédé s'avère moins coûteux, l'efficacité des modules qu'il permet de proposer sur le marché n'est que de 10 à 12%, la meilleure cellule de laboratoire atteignant tout juste un rendement de 20%.
Baptisées par certains spécialistes cellules de "seconde génération", les cellules photovoltaïques couche mince ont pour principal intérêt que leur fabrication ne nécessite qu'une faible quantité de matériau. En effet, seule est déposée la quantité de matériau photosensible efficace pour absorber l'essentiel du rayonnement solaire, soit quelques microns d'épaisseur. Par ailleurs, les méthodes de fabrication sont moins coûteuses et permettent d'utiliser des substrats flexibles. Le silicium amorphe, le diséléniure de cuivre indium (CIS ou Copper Indium di-Selenide) et le tellure de cadmium (CdTe) sont parmi les matériaux de base des principales cellules couche mince développées jusqu'à présent (voir "Commercialisation de cellules solaires à base de CIS" ci-contre).
Quant à la "troisième génération" de cellules photovoltaïques, elle fait appel à de nouveaux matériaux, des matériaux organiques, comme les polymères, et utilise de nouvelles techniques de fabrication qui permettent de structurer la matière à une échelle nanométrique. Les experts estiment que leur facilité d'utilisation, due essentiellement à leur flexibilité et leur légèreté, mais plus encore leur faible coût de fabrication, pourraient conduire ces cellules de troisième génération à révolutionner le marché du photovoltaïque.
Pour l'heure, leur efficacité reste relativement faible au regard de celle qu'affichent leurs homologues inorganiques. Afin d'accroître cette efficacité, plusieurs solutions sont actuellement à l'étude en laboratoire. L'une d'elles consiste à développer des cellules dites "hybrides" dans lesquelles sont introduits des canaux de conduction constitués d'un matériau inorganique.
Ainsi les premiers prototypes qui ont été conçus utilisent des films nanoporeux de matériaux semi-conducteurs comme l'oxyde de titane, l'oxyde de zinc, le sulfure de cadmium ou des réseaux de nanotubes de carbone mono paroi. Ceux-ci forment des nanostructures ordonnées dont on remplit alors les pores ou les espaces libres avec un polymère conjugué. Une approche différente consiste à incorporer des nanoparticules de semi-conducteur dans le polymère.
Autre solution particulièrement intéressante, les cellules dites de "Grätzel", du nom de leur inventeur suisse Michael Grätzel. Celles-ci fonctionnent selon un principe différent des cellules inorganiques puisqu'elles différencient les fonctions d'absorption de la lumière et de séparation des charges électriques. Konarka, une entreprise installée dans le Massachussetts, travaillent aujourd'hui à la commercialisation de ce type de cellules de troisième génération dont les caractéristiques permettent d'envisager des applications très variées que ce soit dans le secteur des vêtements ou encore des revêtements et du camouflage (voir "Et la France ? Elle affiche ses ambitions au sein de l'INES" en fin d'article).
Des stratégies proches au Japon et en Allemagne
Aujourd'hui, le Japon reste l'incontestable leader mondial du secteur de l'énergie photovoltaïque, une place qui résulte d'une habile stratégie développée dès le milieu des années 1970, avec le lancement du projet Sunshine de soutien à la R&D en 1974. Depuis, cette démarche s'est poursuivie, en particulier entre 2001 et 2006, à travers le programme national Advanced PhotoVoltaïc Generation (APVG), centré sur la diffusion à grande échelle des modules photovoltaïques et la réduction des coûts de production. Depuis, le NEDO (New Energy and industrial technology Development Organization) a lancé un nouveau programme de R&D qui s'articule autour de quatre thématiques, l'objectif étant d'atteindre les objectifs fixés par le document "Roadmap PV30". Pas étonnant dans ce contexte que le Japon possède presque la moitié des systèmes photovoltaïques installés dans le monde.
Une démarche identique, de soutien à la R&D et de subventions a été développée par l'Allemagne. Promulguée en l'an 2000, EEG, la loi sur les énergies renouvelables a joué le rôle d'un véritable moteur du développement du marché du photovoltaïque. En garantissant aux exploitants d'installations solaires le rachat de l'électricité par l'opérateur du réseau à des tarifs fi xes, cette loi permet en effet de réduire les risques d'investissement. Rappelons qu'en 2005, l'Allemagne a établi le record mondial des mises en service d'installations photovoltaïques. Cette année-là, pas moins de 75.000 installations de ce type, totalisant une puissance de 600 MW, ont en effet été raccordées au réseau.
Outre-Atlantique, la situation est différente. Certes, l'énergie solaire connaît un regain d'intérêt. Le président G. W. Bush n'a-t-il pas annoncé une augmentation de 130% des crédits fédéraux dédiés à la filière photovoltaïque pour 2007 ? Par ailleurs, plusieurs états ont mis en place des programmes d'incitations pour l'installation de panneaux solaires. Pour autant, le budget du DOE consacré au photovoltaïques reste bien mince par rapport aux sommes considérables investies dans les énergies fossiles et nucléaires. Dans ces conditions, le photovoltaïque parviendra-t-il a décoller véritablement aux Etats-Unis en l'absence d'un vrai programme fédéral d'incitations financières, à l'image de ce que le Japon et l'Allemagne ont su mettre en place ?
Le point sur :
Et la France ? Elle affiche ses ambitions au sein de l'INES
Le 3 juillet 2006 a été créé l'Institut national de l'énergie solaire (INES). Aboutissement d'une démarche entreprise par le conseil général de la Savoie et la région Rhône-Alpes, en partenariat avec les quatre grands acteurs français de la R&D que sont le CEA, le CNRS, l'université de Savoie et le Centre scientifique et technique du bâtiment (CSTB), cet établissement, qui comptera plus de 200 personnes d'ici 2009, affiche d'ores et déjà ses prétentions : être un centre de référence européen dans le domaine du solaire. Directeur de la recherche technologique du CEA, Jean Therme rappelle les priorités de l'INES dans le domaine du photovoltaïque.
"La première de ces priorités est liée à la pénurie de silicium à destination du photovoltaïque. Ce silicium provient des déchets du silicium utilisé pour la microélectronique. Or ce dernier marché ne croit pas à la vitesse de celui du photovoltaïque. Aussi avons-nous développé un deuxième axe de production du silicium à partir du silicium dit "métallurgique" que l'on trouve dans la pâte de silicone ou les alliages à base d'aluminium. Sa quantité est illimitée à l'échelle du photovoltaïque. Il suffit de le purifier pour obtenir de bonnes performances des cellules photovoltaïques. Un pilote industriel, utilisant un procédé très innovant qui permet d'enlever certaines impuretés avec une torche plasma, a donc été mis en place. Nous avons ainsi obtenu, dès les premiers essais, des rendements de 14%, seuil à partir duquel ce procédé devient économiquement rentable et performant sur le marché. Rappelons que les meilleures cellules photovoltaïques sur silicium polycristallin disponibles sur le marché ont un rendement de 16%.
Une fois fabriqués, ces cellules et ces modules doivent être testés sur des toits. Aussi avons-nous transféré à l'INES nos activités de Cadarache. Les chercheurs disposent ainsi de bancs tests de modules photovoltaïques, en ensoleillement réel, qui leur permettent de tester leurs performances mais aussi leur fi abilité. Parfois, le photovoltaïque n'est pas couplé au réseau, mais utilisé en mode autonome. C'est la raison pour laquelle les équipes du CEA de Cadarache spécialisées dans le domaine des batteries ont aussi été transférées à l'INES, notre objectif étant de constituer un laboratoire de référence dans ce domaine. Dans un premier temps, celui-ci s'intéressera essentiellement au stockage électrique de l'énergie photovoltaïque. Mais à terme, ce laboratoire travaillera également sur les applications transports. Nous croyons beaucoup en effet au couplage entre l'habitat et les transports.
Enfin, l'activité sur les cellules solaires de génération future basée jusqu'à présent au centre de Saclay au CEA a été transférée aussi à Chambéry. Il s'agit de cellules organiques qui se présenteront sous la forme d'un revêtement plastique pouvant être installé sur toutes les vitres afin de récupérer l'énergie solaire. A plus long terme, elle pourrait même prendre l'aspect d'une peinture qu'il suffira alors d'étendre sur un mur ou sur un toit. Aujourd'hui, les rendements que nous avons obtenus, de l'ordre de 3 à 4%, représentent les meilleurs résultats au monde. Cela dit, cette technologie n'apparaîtra pas sur le marché avant dix ou quinze ans".
