Rayonnement solaire et photovoltaïque

Le rayonnement solaire est l'ensemble du rayonnement émis par le Soleil. En plus des

rayons cosmiques, particules animées d'une vitesse et d'une énergie extrêmement élevées, le

Soleil émet des ondes électromagnétiques dont le spectre s'étend des ondes radio aux rayons

gamma, en passant par la lumière visible.

L’émission d'ondes électromagnétiques par le Soleil est bien modélisée par un corps noir à

5800 Kelvin, donc par la loi de Planck. Le pic d’émission est dans le jaune (λ=570 nm), et la

répartition du rayonnement est à peu près pour moitié dans la lumière visible, pour moitié

dans l'infrarouge, avec 1% d'ultraviolets1.

Arrivé au niveau de la mer, c'est-à-dire ayant traversé toute l'atmosphère terrestre, le

rayonnement solaire a subi plusieurs « filtrations ». On peut repérer notamment sur le spectre

ci-contre les bandes d'absorption de l'ozone (connu pour stopper une bonne partie des

ultraviolets), du dioxygène, du dioxyde de carbone et de l'eau.

Une faible partie du rayonnement solaire parvient jusqu'à la surface de la Terre, des ondes radio

décamétriques aux rayons ultraviolets les plus mous, le reste étant réfléchi ou filtré par l'atmosphère

et l'ionosphère.

La puissance du rayonnement solaire reçu sur Terre est de :

Puissance reçue en Watts

par m2

Dans l'espace, au dessus de l'atmosphère 1 400 W/m2

Sous un fort soleil vertical, à midi, ciel dégagé, temps sec 950 W/m2

Moyenne annuelle en Europe 200 W/m2

Fraction pouvant être convertie en électricité (moyenne

annuelle en Europe) < 100 W/m

2

Rayonnement solaire et son utilisation

Les technologies du photovoltaïque

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière, génère de l’électricité. La plupart du temps, les cellules sont regroupées dans des modules ou panneaux photovoltaïques. Il existe plusieurs familles de cellules photovoltaïques. Actuellement, les plus répandues sur le marché sont les cellules en silicium cristallin et les cellules en couches minces. D’autres en sont au stade de la Recherche et Développement. Fonctionnement d’une cellule

Le fonctionnement est similaire à l’effet photoélectrique. Il demande un rayonnement moins

énergétique. Il fonctionne bien avec le rayonnement solaire même diffus sous une couche de

nuages. Le matériau d’une cellule est un semi conducteur. Il est composé de deux couches.

Les photons libèrent un électron dans la première couche et un trou chargé positivement dans

la deuxième couche. Les charges ainsi crées sont canalisées pour fournir un courant

électrique. Les cellules en silicium cristallin

Ce type de cellules est constitué de fines plaques de silicium, un élément chimique très abondant et qui s’extrait notamment du sable ou du quartz. Le silicium est obtenu à partir d’un seul cristal ou de plusieurs cristaux: on parle alors de cellules monocristallines ou multicristallines. Les cellules en silicium cristallin sont d’un bon rendement (de 14 à 15% pour le multicristallin et de près de 16 à 19% pour le monocristallin). Elles représentent plus de 90% du marché actuel.

Cellule en silicium cristallin

Les cellules en couches minces Les cellules en couches minces sont fabriquées en déposant une ou plusieurs couches semi‐conductrices sur un support de verre, de plastique, d’acier Cette technologie permet de diminuer de coût de fabrication mais son rendement est inférieur à celui des cellules au silicium cristallin (il est de l’ordre de 5 à 13%) Les cellules en couches minces les plus répandues sont en silicium amorphe, composées de silicium projeté sur un matériel souple. La technologie des cellules en couches minces connaît actuellement un fort développement, sa part de marché étant passée de 2% il y a quelques années à plus de 10% aujourd’hui.

Cellules en couches minces

Cellule photovoltaïque tandem

Empilement monolithique de deux cellules simples. En combinant deux cellules (couche

mince de silicium amorphe sur silicium cristallin par exemple) absorbant dans des domaines

spectraux se chevauchant, on améliore le rendement théorique par rapport à des cellules

simples distinctes, qu'elles soient amorphes, cristallines ou microcristallines.

Avantage : o sensibilité élevée sur une large plage de longueur d'onde. Excellent rendement.

Inconvénient : o coût élevé dû à la superposition de deux cellules.

Les autres types de cellules

Les cellules à concentration: elles sont placées au sein d’un foyer optique qui concentre la lumière Leur rendement est élevé ‘de l’ordre de 20 à 30%) mais elles doivent absolument être placées sur un support mobile afin d’être constamment positionnées face au soleil.

Les cellules organiques : composées de semi‐conducteurs organiques déposés sur un substrat plastique ou de verre , ces cellules encore au stade expérimental offrent un rendement moyennement élevé ‘de l’ordre de 5 à 10%) mais présentent des perspectives intéressantes de réduction des coûts. Les cellules multicouches : Ces cellules photovoltaïques sont multicouches c’est à dire un

empilement de plusieurs cellules photovoltaïques convertissant différentes parties du spectre

solaire (la cellule du haut convertit les photons les plus énergétiques, celle du milieu convertit les photons moyennement énergétiques, tandis que la cellule du bas convertit les grandes longueurs d'ondes, correspondant aux photons les moins énergétiques). Cette technologie permet d'optimiser l'absorption du flux solaire par la cellule, et ainsi d'accroître son rendement de conversion de manière significative. De plus ces cellules sont à concentration, c'est-à-dire que le flux d’énergie dégagée par la lumière du soleil est concentré grâce à un effet loupe ce qui améliore considérablement les capacités de la cellule.

La communauté scientifique s'efforce depuis des décennies de trouver divers moyens d'accroître l'efficacité des panneaux solaires photovoltaïques dont les taux de conversion gravitent actuellement entre 15% et 20%.

La compagnie RoseStreet Labs Energy (RSLE)

Elle affirme avoir trouvé une solution qui intègre trois couches distinctes d'absorbtion de lumière dans une seule cellule solaire en couche mince. Chaque couche est en mesure de capter une partie différente du spectre du soleil, ce qui porterait le rendement total à un

taux supérieur à 35%.

En effet, un type de semi-conducteur est caractérisé par une longueur d'onde maximale au-delà de laquelle il est incapable de convertir le photon en énergie électrique.

RSLE est le premier à utiliser la technologie IBand dans une installation solaire de démonstration. L'idée était d'intégrer trois couches - chaque couche capturant une partie différente du spectre. La triple bande en couches minces pourrait propulser les panneaux solaires à un nouveau stade de développement, et plus encore, si ces derniers étaient

associés à une technologie à concentration.

La société américaine Semprius

Elle est spécialisée dans le photovoltaïque à haute concentration (HCPV) a annoncé un nouveau record du monde avec un taux de 33,9% - en zone active - pour ce qui est du rendement de conversion de son module photovoltaïque.

La société a conçu une cellule multicouches qui se compose de 3 niveaux superposés en arséniure de gallium de manière à capter et convertir en électricité toutes les composantes de la lumière du soleil et non seulement la partie visible comme le fait le silicium cristallin. D'ailleurs le rendement de conversion de ce dernier est en comparaison de l'ordre de 23%.

Après avoir développé son module avec le soutien du Département américain de l'Énergie (NREL), Semprius entend maintenant monter en puissance au niveau mondial pour le déploiement de son système de démonstration. Pou y arriver, la construction d'une usine

pilote à Henderson, en Caroline du Nord est en cours d'achèvement. La production commerciale de l'usine devrait débuter au cours du second semestre 2012.

Les chercheurs du Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (FhG-ISE), en Allemagne,

ont réalisé leur vœu de Nouvel An plus vite que prévu. Dès janvier, ils battaient un record du

monde dans le secteur des cellules photovoltaïques à jonctions multiples, avec un taux de

conversion de 41,24%. Ils pensent même pouvoir aller plus loin, grâce aux cellules solaires

équipées de structures multi-jonctions métamorphiques. Le Soleil n’a donc pas dit son dernier

mot.

Nous produirons des cellules photovoltaïques avec 50% de rendement avant 2020 »

Si les rendements des panneaux photovoltaïques ont fortement grimpé lors de la dernière

décennie, le passage des 20% a cependant marqué une inflexion dans cette progression.

Heureusement, les laboratoires de recherche regorgent de pistes, et même de solutions, pour

propulser l’efficacité des panneaux photovoltaïques vers des niveaux jusqu’alors

inimaginables. Les explications de Rafael Kleiman et Siva Sivoththaman, deux chercheurs

canadiens en Ontario

Rafael Kleiman est Directeur du laboratoire de recherche avancée sur le

photovoltaïque (LAPR) de l’université Mc Master (Hamilton Ontario)

SivaSivoththaman est Directeur du Centre pour les systèmes photovoltaïques avancés

(CAPDS) de l’université de Waterloo (Ontario)

Comment expliquer ce plafond de rendement des cellules photovoltaïques actuelles ?

Rafael Kleiman : C’est tout simplement une limite physique ! Les cellules actuelles

ne contenant qu’une seule jonction (ndr : zone de contact entre deux couches de

silicon), nous nous heurtons à un plafond théorique de 33,5%, appelé « limite de

Shockley-Queisser ». Plus précisément, une jonction actuelle ne peut tout simplement

pas réagir à la totalité du spectre lumineux dont une grande partie est alors perdue ou

transformée en chaleur. En pratique, la véritable limite est plutôt de 25% car chaque

point supplémentaire coûterait beaucoup trop cher à produire.

Mais pourquoi chercher le rendement ? Qu’en est-il de la stratégie low-cost à bas

rendement ?

Rafael Kleiman : Elle est à mon sens ineffective car elle atteint rapidement ses

limites. En effet, le coût d’une installation ne se résume pas au prix des panneaux, loin

s’en faut. En augmentant la surface de panneaux à installer, on augmente

mécaniquement les coûts de main d’œuvre et de matériel annexe, notamment

l’électronique. La multiplication des accessoires engendre alors une complexité et des

répercussions potentielles sur l’exploitation : maintenance, gestion de la production…

Siva Sivoththaman : Il y a effectivement une nécessité évidente de trouver des

technologies de rupture au niveau des cellules car nous sommes au bout des modèles

actuels. Mais il ne faut pas oublier que la cellule, même si elle en constitue le cœur,

n’est qu’une partie d’un dispositif photovoltaïque. Il y a également de nombreuses

recherches en cours sur les panneaux et l’électronique. Enfin, j’ajouterais à la

contrainte financière rappelée par Rafael, une dimension sécurité et santé. Il nous faut

absolument l’intégrer à nos recherches, surtout lorsque l’on manipule des nano-

matériaux.

Quelle technologie incarne aujourd’hui l’avenir du photovoltaïque ?

Rafael Kleiman : A mon avis, la prochaine rupture technologique commercialisée avec

succès sera la cellule multi-jonction. C’est un concept très ancien, puisque Texas Instrument

l’a breveté en 1955 ! Mais nous avons aujourd’hui la possibilité de faire passer cette

technologie à un stade commercial en quelques années. L’idée est assez simple : il s’agit

d’empiler plusieurs jonctions collectant chacune une bande passante différente du spectre

lumineux.

Pour quel niveau de rendement ?

Rafael Kleiman : Avec une cellule multi-jonction, on change véritablement de dimension car

la limite théorique, en y adjoignant un système de concentration, est de 83% ! Pour l’instant,

les meilleurs labos ont déjà atteint 43%. Je suis persuadé que nous pourrons produire des

cellules avec 50% de rendement avant 2020.

Siva Sivoththaman : Effectivement les cellules multi-jonctions sont notre meilleure solution

à moyen terme. Attention cependant à ne pas confondre les records de laboratoire avec

l’arrivée d’un produit fini sur le marché. Il y a un monde entre la réalisation d’une mini-

cellule de 2mm sur 2 et la fabrication d’un panneau commercialement exploitable.

Cellule solaire : le rendement théorique pourrait passer à 44%

L'efficacité des cellules solaires conventionnelles pourrait être sensiblement augmentée,

grâce à de nouvelles recherches menées par le chimiste Xiaoyang Zhu de l'Université du

Texas à Austin, sur les mécanismes de conversion de l'énergie solaire.

Zhu et son équipe ont en effet découvert qu'il était possible de doubler le nombre d'électrons

récupérés à partir d'un seul photon de lumière en utilisant un matériau semi-conducteur

organique en plastique.

"La production de cellules solaires semi-conducteurs en plastique possède de gros avantages,

dont l'un concerne son faible coût", a déclaré le professeur Zhu. "En association avec les

vastes capacités de la conception moléculaire, notre découverte ouvre la porte à une nouvelle

approche passionnante dans la conversion de l'énergie solaire, conduisant à des rendements

beaucoup plus élevés."

Zhu et son équipe ont d'ailleurs publié leur découverte révolutionnaire le 16 décembre dans la

revue Sciences.

L'efficacité théorique maximale des cellules solaires en silicium en usage aujourd'hui est

d'environ 31%, du fait de la proportion trop élevée d'énergie solaire frappant la cellule afin

d'être transformée en électricité. Cette énergie transmise sous forme "d'électrons chauds" est

souvent perdue en chaleur. La capture de ces "électrons chauds" pourraient donc accroître

l'efficacité de la conversion d'énergie solaire en électricité pour atteindre le taux de 66%.

Zhu et son équipe avaient précédemment démontré que ces "électrons chauds" pourraient être

capturés à l'aide de nanocristaux semi-conducteurs. "Pour un élément" a déclaré Zhu, "le taux

d'efficacité de 66% ne peut être atteint que lorsque la lumière du soleil reste fortement

concentrée, et non pas à partir de la lumière du soleil frappant classiquement un panneau

solaire. En conséquence, cela crée des problèmes d'ingénierie lors de la conception d'un

nouveau matériau ou dispositif."

Pour contourner ce problème, Zhu et son équipe ont trouvé une alternative. Ils ont découvert

qu'un photon produit un état quantique noir, à partir duquel deux électrons peuvent être

capturés efficacement pour générer plus d'énergie dans les semi-conducteurs en pentacène.

L'absorption d'un photon dans un semiconducteur organique créé une paire d'électron-trou

appelée "exciton".

Le chimiste a précisé que l'exploitation de ce mécanisme pourrait augmenter l'efficacité

théorique maximum des cellules solaires de 44% sans avoir à focaliser un faisceau solaire, ce

qui encouragerait une utilisation plus répandue de la technologie solaire.

Vers le photovoltaïque "tout plastique" ?

processusDes chercheurs du laboratoire de Chimie

des Polymères Organiques* en collaboration avec le

laboratoire de l'Intégration du Matériau au

Système**, viennent de mettre au point un additif

permettant d'améliorer le rendement des cellules

solaires organiques tout en simplifiant le procédé de

fabrication.

Un pas important vers la fabrication de cellules photovoltaïques plastiques souples obtenues sans traitement thermique excessif.

Les cellules photovoltaïques organiques sont une

alternative aux cellules classiques à base de

silicium. Elles présentent l'avantage de nécessiter

des de fabrication plus doux, à partir, par exemple, de véritables encres électroniques, ce qui permet

ainsi d'envisager des cellules solaires sur toutes sortes de supports comme, par exemple, des supports flexibles.

La couche active de ce genre de cellule est toujours constituée d'un mélange de deux matériaux : un matériau donneur d'électrons comme le poly (3-hexylthiophène) (P3HT), et un matériau accepteur, par exemple un dérivé du fullerène (forme allotropique du carbone comme le graphite qui constitue les mines de crayon à papier). De telles cellules permettent d'obtenir des rendements supérieurs à 3%,

mais seulement après une étape de recuit thermique à des températures supérieures à 120°C. Une application sursubstrat plastique (flexible) rend donc difficile ce genre de traitement thermique et

limite ainsi les rendements photovoltaïques de ce système.

Parmi les défis que se sont fixés les chercheurs pour améliorer les rendements de ces cellules solaires organiques : l'optimisation de la morphologie du mélange dans la couche active dès l'étape de dépôt.

Ils viennent ainsi de mettre au point un additif, véritable agent nano-structurant du mélange, par une méthode de synthèse propre et facile à mettre en œuvre à l'échelle industrielle (travail réalisé en partenariat avec la société Arkema). Il s'agit d'uncopolymère à blocs, le poly (3-hexylthiophene-bloc-4-vinylpyridine) (P3HT-b-P4VP), comportant deux séquences ayant chacune une affinité préférentielle pour un des deux composants du mélange (à savoir le P3HT et le dérivé du fullerène, le PCBM, respectivement). Lorsqu'une petite quantité de ce copolymère, entre 1% et 10% en masse, est ajoutée au mélange de la couche active, une augmentation significative du rendement de conversion photovoltaïque est observée par rapport au mélange initial. Sur le graphe ci-dessous on peut noter une

évolution du rendement photovoltaïque de 2,75% jusqu'à presque 4,5% en présence du copolymère, après recuit de la cellule (courbe en pointillé).

Evolution de l'efficacité de conversion en puissance en fonction du taux de copolymère ajouté pour des cellules solaires organiques (système P3HT/PCBM) obtenues avec ou sans recuit thermique. Le résultat le plus frappant concerne les cellules obtenues sans aucun recuit, étape toujours délicate

dans le cas de dépôt sur des polymères qui supportent souvent mal les hautes températures. L'ajout du copolymère permet d'obtenir directement un rendement supérieur à 3%, supérieur à celui de la cellule sans copolymère après traitement thermique. Les analyses morphologiques et spectroscopiques réalisées mettent en évidence le rôle du caractère structurant de cet additif copolymère dans ces propriétés nouvelles.

Les résultats de cette étude permettent d'envisager l'élaboration de cellules solaires organiques sur substrat flexible grande surface, mettant en œuvre des procédés de fabrications rapides, sans traitement thermique, tout en préservant, voire en améliorant leur efficacité.

Les résultats de recherche ci-dessus montrent qu’il est possible d’augmenter le rendement des

cellules photovoltaïques ce qui devrait permettre de réduire la surface des capteurs donc de

réduire le coût.

Utilisation des cellules photovoltaïques

Les cellules photovoltaïques sont parfois utilisées seules (éclairage de jardin, calculatrice, ...)

ou bien regroupées sur des panneaux solaires photovoltaïques.

Elles sont très utilisées en remplacement des piles (dont l'énergie est de loin la plus chère pour

l'utilisateur ; même pour le fabricant, un compartiment pile et la pile éventuellement fournie

peuvent coûter plus cher qu'une cellule), pourvu que le dispositif ne réclame pas trop

d'énergie par rapport à la surface qu'on peut accorder au générateur photovoltaïque, et qu'il y

ait assez de lumière pendant l'usage : les cellules ont envahi calculette, montres, gadgets, etc.

Il est possible d'augmenter leur gamme d'utilisation avec un stockage (condensateur ou

batterie). Lorsqu'elles sont utilisées avec un dispositif de stockage d'énergie, il est

indispensable de placer une diode en série pour éviter la décharge du système pendant la nuit.

Elles sont utilisées pour produire de l'électricité pour de nombreuses applications (satellites,

parcmètres, ...), ainsi que pour alimenter des habitations ou un réseau public de distribution

dans le cas d'une centrale solaire photovoltaïque.

Les panneaux solaires photovoltaïques

Les panneaux solaires photovoltaïques regroupent des cellules photovoltaïques reliées entre

elles en série ou en parallèle.

Panneau solaire à Marla dans le cirque de Mafate, à la Réunion.

Avant de s'équiper en panneaux photovoltaïques , il est intéressant de savoir ce qu'on peut en

tirer au lieu géographique qui nous concerne

Moyennes annuelles de l'énergie solaire reçue par jour sur une surface oriente au

sud et inclinée d'un angle égale à la latitude L’unité est le kWh/m2.j.

Les centrales photovoltaïques

1) Microcentrales

ci-dessus une centrale de 3 kwh d’une superficie de 24 m² qui produit environ 3000 kwh/an

2)centrales industrielles

CENTRALE DE VINON SUR VERDON TECHNOLOGIE Cristalline Constructeur : SOLAIRE DIREC

ANNEE REALISATION : 2009

PUISSANCE INSTALLEE

PUISSANCE INSTALLEE 4,2 MWc en 2009 ENERGIE PRODUITE 5,9 GWh/an SURFACE DU PARC 9 ha

SURFACE DE MODULES 6,8 ha COMMENTAIRES La centrale est installée sur un terrain agricole à faible enjeu agronomique.

Conception : fixation au sol par des pieux métalliques sans béton.

18 900 modules de technologie cristalline

Une démarche de concertation avec les élus et la population locale ayant fait l’objet d 'une étude des impacts environnementaux, d'une enquête publique, de réunions avec la population et de la consultation systématique de Personnes Publiques Associées (notamment la Chambre d'Agriculture et le Parc Naturel Régional du Verdon)

la centrale produit l’équivalent de la consommation annuelle de plus de 4 200 habitants

Des panneaux solaires en orbite

Le rayonnement en haute atmosphère est presque quatre fois plus important qu’à la surface de la Terre c’est pourquoi il se révèle ainsi bénéfique d’installer des panneaux solaires directement dans l’espace. De plus, dans cette situation le satellite est continuellement éclairé, ne dépendant ainsi ni des saisons ni de la météo. Or, il se pose un problème du fait de savoir comment retransmettre l’énergie sur Terre. L’EADS (EUROPEAN AERONA Le rayonnement en haute atmosphère est presque quatre fois plus important qu’à la UTIC DEFENCE AND SPACE) a choisi le rayon laser, par rapport à la NASA qui a choisi les micro-ondes pour transporter l’énergie. Le principal défaut des micro-ondes est lié au risque que peut présenter une émission continue de micro-ondes sur Terre. Cependant, ces dernières peuvent passer à travers les nuages, à la différence du rayon laser qui en conséquence devra être transmis par des stations relais, situées dans la haute atmosphère, qui retransmettront alors l’énergie du faisceau (par câble ou micro-ondes par exemple). Ainsi, ce qui retient le plus le développement de ce système est bien sur le coût de l’opération, extrêmement élevé.

Avantages :

- production d'électricité trés importante

Inconvénients :

retour de l'énergie sur Terre très coûteux.

Les tarifs de vente de l'électricité photovoltaïque applicables à partir

du 1 Avril 2012 au 30 Juin 2012

Type et puissance de l’installation 01/04/2012 au 30/06/2012 nh

Résidentiel

Intégration au bâti [0-9kWc] 37,06

[9-36kWc] 32,42

Intégration simplifiée au bâti

[0-36kWc] 20,35

[36-100kWc] 19,34

Enseignement ou santé

Intégration au bâti [0-9kWc] 27,23

[9-36kWc] 27,23

Intégration simplifiée au bâti

[0-36 kWc] 20,35

[36-100 kWc] 19,34

Autres bâtiments Intégration au bâti [0-9kWc] 23,61

Type et puissance de l’installation 01/04/2012 au 30/06/2012 nh

Intégration simplifiée au bâti

[0-36kWc] 20,35

[36-100kWc] 19,34

Tout type d’installation [0-12MW] 10,79

note nh = en attente de l’homologation par publication au Journal Officiel d’un arrêté