Le photovoltaïque (PV) a montré depuis les années 1970 que l’humanité pouvait obtenir une part substantielle de son énergie électrique sans brûler de combustibles fossiles (charbon, pétrole ou gaz naturel) ou créer des réactions nucléaires. Le photovoltaïque aide à éviter la plupart des menaces associées aux techniques actuelles de production d’électricité et a également de nombreux autres avantages. Avec la prise de conscience sur les conséquences du réchauffement climatique, nombreux sont ceux qui voient dans le photovoltaïque l’énergie du futur. Ont-ils vraiment raison de penser ainsi ? Va-t-on vers un avenir radieux pour le photovoltaïque ? C’est à cet ensemble de préoccupations que nous allons tenter de répondre dans les lignes qui suivent.

Qu’est-ce que le photovoltaïque ?

Photovoltaïque est un terme qui couvre la conversion de la lumière en électricité à l’aide de semi-conducteurs qui présentent l’effet photovoltaïque, un phénomène étudié en physique, en photochimie et en électrochimie.

Un système photovoltaïque typique utilise des panneaux solaires, chacun comprenant un certain nombre de cellules solaires, qui génèrent de l’énergie électrique. Les installations photovoltaïques peuvent être montées au sol, montées sur les toits ou fixées au mur. La monture peut être fixe, ou utiliser un tracker solaire pour suivre le mouvement du soleil à travers le ciel.

Le photovoltaïque présente des avantages spécifiques en tant que source d’énergie: une fois installé, son fonctionnement ne génère aucune pollution et aucune émission de gaz à effet de serre. Il présente également une évolutivité simple en termes de consommation d’énergie et de silicium.

Les systèmes photovoltaïques ont pour inconvénient majeur le fait que la puissance de sortie dépend de la lumière directe du soleil, donc environ 10 à 25% sont perdus si un système de suivi n’est pas utilisé. En effet, la cellule ne sera pas directement face au soleil à tout moment. La poussière, les nuages et d’autres éléments dans l’atmosphère diminuent également la puissance produite. Un autre problème majeur est la concentration de la production pendant des heures, qui ne correspondent généralement pas aux pics de demande dans les cycles d’activité humaine. L’électricité doit donc être stockée pour une utilisation ultérieure ou d’autres sources d’énergie doivent être utilisées en appoint.

Photovoltaïque : une source d’énergie de plus en plus prisée

Le photovoltaïque solaire connaît une croissance rapide et la capacité installée mondiale a atteint environ 300 gigawatts (GW) fin 2016. Depuis l’an 2000, la capacité installée a connu un facteur de croissance d’environ 57. En 2014, le photovoltaïque a produit plus de 200 TWh d’électricité, ce qui représente 1% de la demande mondiale d’électricité.

Plus de 100 pays utilisent l’énergie solaire photovoltaïque. La Chine, suivie par le Japon et les États-Unis est le marché qui connaît la croissance la plus rapide, tandis que l’Allemagne reste le premier producteur mondial, produisant plus de 7% de ses besoins nationaux en électricité à l’aide du photovoltaïque. Le photovoltaïque est maintenant, après l’énergie hydraulique et éolienne, la troisième plus importante source d’énergie renouvelable en termes de capacité installée.

La Chine devrait ravir la première place à l’Allemagne et devenir le premier producteur mondial d’énergie photovoltaïque. L’Inde devrait installer 1,8 GW, doublant ses installations annuelles. D’ici 2020, la capacité photovoltaïque mondiale devrait doubler ou même tripler pour atteindre 430 GW. Solar Power Europe estime également que le photovoltaïque couvrira 10 à 15% de la demande énergétique de l’Europe en 2030.

En 2017, une étude parue dans le magazine Science a estimé que d’ici à 2030, les capacités mondiales en photovoltaïques seront comprises entre 3 000 et 10 000 GW. Le scénario EPIG/Greenpeace Solar Generation Paradigm Shift de 2010 montre que d’ici 2030, 1 845 GW de systèmes photovoltaïques pourraient générer environ 2 646 TWh/an d’électricité dans le monde. Combiné à des améliorations de l’efficacité de l’utilisation de l’énergie, cela représenterait les besoins en électricité de plus de 9% de la population mondiale. D’ici 2050, plus de 20% de toute l’électricité pourrait être fournie par le photovoltaïque.

Des coûts de plus en plus bas

Les cellules photovoltaïques ont été la clé des premiers satellites de communication car peu d’alternatives pouvaient produire de l’électricité de façon fiable pendant de longues périodes, en particulier sans maintenance. Le coût élevé des satellites justifiait l’utilisation de cellules très coûteuses, mais ce n’est pas le cas pour la production d’énergie domestique.

Depuis lors, les coûts pour les cellules solaires ont considérablement diminué, conduisant à des appareils mobiles peu coûteux tels que les calculatrices solaires et les chargeurs de téléphones portables. Pour la production d’électricité à grande échelle, le coût de chaque watt d’électricité produit à partir du photovoltaïque reste supérieur à celui des alternatives telles que l’énergie provenant du charbon ou du nucléaire. La tendance générale à la baisse des coûts des cellules solaires devrait se poursuivre dans un avenir prévisible.

Des changements importants sont intervenus au niveau des coûts sous-jacents de la technologie photovoltaïque. L’industrie photovoltaïque a connu une chute spectaculaire des prix depuis 2008. À la fin de 2011, les prix au départ de l’usine des modules photovoltaïques au silicium cristallin ont chuté en dessous du seuil de 1,00 $/W.

Les progrès technologiques, les améliorations du procédé de fabrication et la restructuration de l’industrie signifient que d’autres réductions de prix sont probables dans les années à venir. Les prix des cellules solaires au silicium cristallin ont chuté de 76,67 $/watt en 1977 à environ 0,74 $/watt en 2013. Selon les estimations de Bloomberg New Energy Finance, le prix des modules photovoltaïques a diminué de 60% depuis l’été 2008, ce qui place l’énergie solaire pour la première fois sur un pied d’égalité avec le prix de détail de l’électricité dans un certain nombre de pays. Un chiffre alternatif et cohérent de baisse des prix de 75% de 2007 à 2012 a également été publié

Une efficacité sans cesse plus élevée

Une cellule solaire efficace produit plus d’électricité à partir d’une quantité donnée de lumière par rapport à une cellule inefficace. L’efficacité dépend de plusieurs facteurs, y compris les matériaux utilisés dans la cellule photovoltaïque elle-même, le verre utilisé pour couvrir la cellule et le câblage électrique de la cellule. Les améliorations, telles que des matériaux qui convertissent une plus grande partie du spectre lumineux du soleil en électricité, ont radicalement augmenté l’efficacité des cellules solaires.

Il existe de nombreux types de cellules et de panneaux solaires photovoltaïques avec des rendements solaires allant de 10 à 45%. Les cellules à plus haut rendement sont généralement des dispositifs à multi-jonctions (MJ). Avec des coûts sensiblement plus élevés ces panneaux sont utilisés dans des applications exigeantes et critiques comme l’aérospatial.

Au cours des 10 dernières années, l’efficacité solaire des panneaux solaires est passée d’environ 35 à 45%. Ils sont actuellement conçus comme des dispositifs à trois et quatre jonctions qui ont souvent des concentrateurs solaires intégrés. Les concentrateurs augmentent l’efficacité solaire des dispositifs MJ d’environ 38 à 45% en utilisant des lentilles et des miroirs incurvés qui focalisent la lumière du soleil sur les petites cellules solaires.

Les systèmes photovoltaïques à concentrateur solaire (CPV) peuvent également utiliser des trackers solaires et des systèmes de refroidissement intégrés pour augmenter leur efficacité. À l’autre extrémité du spectre d’efficacité des cellules solaires se trouvent les cellules solaires monocristallines et polycristallines à haut volume de production.

Les cellules solaires au silicium monocristallin les plus coûteuses ont des rendements solaires plus élevés qui approchent de 25% (sans concentrateurs). Les cellules solaires au silicium polycristallin les moins chères (et les plus communément utilisées) ont un rendement proche de 21% en laboratoire et de 17 à 18% sur le terrain.

Des formats très flexibles

Une cellule photovoltaïque traditionnelle est une pièce plate en silicium, recouverte de verre et collée sur un panneau métallique; c’est efficace mais pas très flexible. La recherche actuelle sur les matériaux photovoltaïques a conduit à des cellules qui sont fixées sur une variété de surfaces, y compris les feuilles de papier et de plastique.

Une autre technique place un film de matière ultra-mince sur le verre, résultant en une fenêtre qui laisse entrer la lumière et produit de l’électricité. À l’avenir, une plus grande variété de matériaux photovoltaïques pourrait mener à une production d’énergie accrue.

La plupart des cellules solaires, les dispositifs qui convertissent l’énergie solaire en électricité, sont en silicium. Mais alors que ces cellules au silicium dominent le marché, elles sont loin d’être parfaites. En conséquence, les chercheurs du monde entier se sont consacrés à l’élaboration de cellules solaires moins chères et plus efficaces.

L’un de ces produits émergents est la cellule solaire à la pérovskite, un produit moins coûteux qui pourrait être tout aussi efficace, sinon plus, que les cellules de silicium traditionnelles. L’attrait majeur des cellules solaires à la pérovskite est qu’elles sont bon marché, beaucoup moins chères que celles au silicium.

Les pérovskites présentent divers avantages par rapport aux cellules traditionnelles au silicium. Alors que le dioxyde de silicium (SiO2) est abondant sous la forme de sable de plage, la séparation des molécules d’oxygène attachées au silicium nécessite une quantité d’énergie gargantuesque. La fusion de dioxyde de silicium dans un four à arc à électrodes à des températures élevées comprises entre 1500 et 2000 degrés Celsius est nécessaire, ce qui libère paradoxalement plus d’émissions de dioxyde de carbone dans l’atmosphère et crée une limite fondamentale sur le coût de production des cellules solaires au silicium.

Bien sûr, des coûts inférieurs ne signifient pas grand-chose si les cellules ne peuvent pas rivaliser avec l’efficacité des cellules de silicium traditionnelles. Mais en laboratoire, au moins, les scientifiques ont réussi à produire des cellules solaires à la pérovskite avec des niveaux d’efficacité comparables à ceux des cellules de silicium utilisées dans le commerce.

Des panneaux photovoltaïques plus robustes

La première innovation en la matière est la transition de l’architecture cellulaire standard vers des conceptions plus efficaces. La conception standard de l’industrie (connue sous le nom de champ de surface arrière en aluminium, Al-BSF) représente actuellement 80% des cellules de silicium. Un design plus sophistiqué, la cellule PERC (émetteur passivé et cellule arrière), devrait devenir dominante.

Les cellules PERC peuvent atteindre une efficacité plus élevée grâce à l’inclusion d’une couche diélectrique (isolante) non continue à l’arrière. En raison de ses propriétés optiques, cette couche améliore la réflexion sur l’électrode en aluminium, ce qui a pour conséquence que plus de lumière est renvoyé dans la cellule pour une seconde chance d’absorption.

Un avantage supplémentaire est une réduction des pertes électriques du côté arrière (Al). La fabrication à grande échelle de dispositifs encore plus efficaces augmente dans le même temps. Ceux-ci comprennent la cellule à hétérojonction (HJ), qui utilise des couches de silicium amorphe (non cristallin) pour réduire les pertes électriques sur les bords de la plaquette de silicium cristallin. En fait, la cellule solaire record du monde, fabriquée par Kaneka Corporation, combine efficacement ces deux concepts pour atteindre un rendement de 26,6%.

Amélioration de l’exploitation

Il y a beaucoup plus d’innovations qui améliorent l’efficacité des panneaux solaires photovoltaïques. Les scientifiques utilisent souvent une mesure pour quantifier les pertes, connue sous le nom de rapport de puissance cellule-module (CTM). Actuellement, les rapports CTM sont généralement inférieurs à 100%, ce qui signifie qu’il y a une perte globale nette d’efficacité lors de l’assemblage du module.

Auparavant, certains facteurs agissent pour diminuer la CTM (pertes électriques le long des connexions cellulaires et de l’espace mort du module), mais en même temps, il y a aussi des facteurs qui peuvent augmenter la CTM. Un exemple est que les modules optimisés peuvent être un environnement optiquement favorable pour la cellule.

La lumière incidente qui est réfléchie par la surface des cellules peut être plus susceptible de subir des réflexions internes à l’intérieur du module et donc la quantité de lumière absorbée par les cellules peut être augmentée. Au fur et à mesure que l’industrie apprend à exploiter de tels effets et à réduire simultanément les pertes, par exemple en optant pour des modules plus grands avec ou sans cadre.

La nanotechnologie à la rescousse du photovoltaïque

Alors que certains nanomatériaux impliquent des structures moléculaires complexes, de tels matériaux peuvent être déposés rapidement et à basse température sur des substrats flexibles. Les cellules à base de nanomatériaux pourraient même être transparentes à la lumière visible, ce qui pourrait ouvrir de nouvelles applications et permettre une intégration dans les fenêtres, baies vitrées et autres surfaces.

Cependant, le déploiement à grande échelle de certaines technologies à couche mince, telles que le tellurure de cadmium et le diséléniure de cuivre et d’indium-gallium, peut être sévèrement limité par la quantité de matériaux rares dont ils ont besoin. Il est nécessaire de mettre au point de nouvelles technologies à couches minces basées sur des matériaux abondants dans la nature.

On peut identifier trois thèmes pour la recherche et le développement futurs. Le premier est l’augmentation de l’efficacité de conversion de puissance des technologies photovoltaïques émergentes et des modules commerciaux. Le deuxième thème de recherche consiste à réduire la quantité de matériel nécessaire par cellule. Des films et des substrats plus minces et plus souples pourraient réduire le poids et le coût des cellules, ouvrant ainsi la porte à de nouvelles approches de conception.

Un troisième thème de recherche important est la réduction de la complexité et du coût de la fabrication. Les chercheurs soulignent ici l’importance d’éliminer le traitement coûteux et à haute température et d’encourager l’adoption de procédés de revêtement «roll-to-roll» pour la fabrication rapide et à grande échelle de technologies à couches minces émergentes.

Lentement, mais sûrement le photovoltaïque est en marche vers un avenir florissant. Marginale, il y a quelques années de cela, cette source d’énergie renouvelable est appelée à jouer un rôle majeur d’ici quelques décennies. Des décennies de recherche et d’amélioration continue en ont fait une énergie aussi performante qu’économique. Déjà des pays comme la Chine se sont lancé à l’assaut du photovoltaïque en investissant des sommes astronomiques dans des fermes solaires surdimensionnées. En cette ère ou le réchauffement climatique fait craindre des jours très sombres pour l’humanité, le futur radieux du photovoltaïque est de bonne augure.