Photovoltaïque - Photovoltaics

The Solar Settlement , un projet communautaire de logement durable à Fribourg , en Allemagne.
L'ombrage photovoltaïque SUDI est une station autonome et mobile en France qui fournit de l'énergie pour les voitures électriques utilisant l'énergie solaire.
Des panneaux solaires sur la Station spatiale internationale

Le photovoltaïque ( PV ) est la conversion de la lumière en électricité à l'aide de matériaux semi-conducteurs qui présentent l' effet photovoltaïque , un phénomène étudié en physique , photochimie et électrochimie . L'effet photovoltaïque est commercialement utilisé pour la production d'électricité et comme photodétecteurs .

Un système photovoltaïque utilise des modules solaires , chacun comprenant un certain nombre de cellules solaires , qui génèrent de l'énergie électrique. Les installations photovoltaïques peuvent être au sol, sur le toit, murales ou flottantes. La monture peut être fixe ou utiliser un suiveur solaire pour suivre le soleil dans le ciel.

Certains espèrent que la technologie photovoltaïque produira suffisamment d' énergie durable et abordable pour aider à atténuer le réchauffement climatique causé par le CO
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. Le solaire 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 une évolutivité simple en ce qui concerne les besoins en énergie et le silicium a une grande disponibilité dans la croûte terrestre, bien que d'autres matériaux soient requis dans le système photovoltaïque. fabrication telle que l'argent finira par freiner la croissance future de la technologie. D'autres contraintes majeures identifiées sont la concurrence pour l'utilisation des terres et le manque de main-d'œuvre pour faire les demandes de financement. L'utilisation du PV comme source principale nécessite des systèmes de stockage d'énergie ou une distribution mondiale par des lignes électriques à courant continu à haute tension entraînant des coûts supplémentaires, et présente également un certain nombre d'autres inconvénients spécifiques tels qu'une production d'électricité instable et l'obligation pour les compagnies d'électricité de compenser trop d'énergie solaire dans le mix d'approvisionnement en disposant d'alimentations conventionnelles plus fiables afin de réguler les pics de demande et le sous-approvisionnement potentiel. La production et l'installation causent de la pollution et des émissions de gaz à effet de serre et il n'y a pas de systèmes viables pour recycler les panneaux une fois qu'ils sont en fin de vie après 10 à 30 ans.

Les systèmes photovoltaïques sont utilisés depuis longtemps dans des applications spécialisées, car les installations autonomes et les systèmes photovoltaïques connectés au réseau sont utilisés depuis les années 1990. Les modules photovoltaïques ont été produits en série pour la première fois en 2000, lorsque des écologistes allemands et l' organisation Eurosolar ont reçu un financement gouvernemental pour un programme de dix mille toits.

La baisse des coûts a permis au PV de se développer en tant que source d'énergie. Cela est en partie dû aux investissements massifs du gouvernement chinois dans le développement de la capacité de production solaire depuis 2000 et à la réalisation d' économies d'échelle . Une grande partie du prix de production provient du polysilicium , un composant clé , et la majeure partie de l'offre mondiale est produite en Chine, en particulier au Xinjiang . Outre les subventions, les bas prix des panneaux solaires dans les années 2010 ont été obtenus grâce au faible prix de l'énergie du charbon et des coûts de main-d'œuvre bon marché au Xinjiang, ainsi qu'à des améliorations de la technologie de fabrication et de l'efficacité. Les progrès technologiques et l'augmentation de l'échelle de fabrication ont également augmenté l'efficacité des installations photovoltaïques. La facturation nette et les incitations financières, telles que les tarifs de rachat préférentiels pour l'électricité solaire, ont soutenu les installations solaires photovoltaïques dans de nombreux pays. Les prix des panneaux ont été divisés par 4 entre 2004 et 2011. Les prix des modules ont chuté de 90 % par rapport aux années 2010, mais ont commencé à augmenter fortement en 2021.

En 2019, la capacité photovoltaïque installée dans le monde est passée à plus de 635 gigawatts (GW) couvrant environ 2 % de la demande mondiale d' électricité . Après l' hydroélectricité et l' éolien , le PV est la troisième source d' énergie renouvelable en termes de capacité mondiale. En 2019, l' Agence internationale de l'énergie prévoyait une croissance de 700 à 880 GW de 2019 à 2024. Dans certains cas, le PV a offert la source d'énergie électrique la moins chère dans les régions à fort potentiel solaire, avec une offre pour un prix aussi bas que 0,01567 US. $/ kWh au Qatar en 2020.

Étymologie

Le terme « photovoltaïque » vient du grec φῶς ( phōs ) signifiant « lumière », et de « volt », unité de force électromotrice, le volt , qui à son tour vient du nom de famille du physicien italien Alessandro Volta , inventeur de la batterie ( cellule électrochimique ). Le terme « photovoltaïque » est utilisé en anglais depuis 1849.

Histoire

Cellules solaires

Les cellules solaires produisent de l' électricité directement à partir de la lumière du soleil .
Carte de potentiel de puissance photovoltaïque
La carte du potentiel de puissance photovoltaïque estime combien de kWh d'électricité peuvent être produits à partir de modules c-Si autonomes de 1 kWc, inclinés de manière optimale vers l'équateur. La moyenne à long terme résultante (quotidienne ou annuelle) est calculée sur la base des données météorologiques de séries chronologiques d'au moins 10 années récentes.

Le photovoltaïque est surtout connu comme une méthode de production d' électricité en utilisant des cellules solaires pour convertir l'énergie du soleil en un flux d'électrons par effet photovoltaïque .

Les cellules solaires produisent de l'électricité en courant continu à partir de la lumière du soleil qui peut être utilisée pour alimenter un équipement ou pour recharger une batterie . La première application pratique du photovoltaïque était l'alimentation de satellites en orbite et d'autres engins spatiaux , mais aujourd'hui, la majorité des modules photovoltaïques sont utilisés pour des systèmes connectés au réseau pour la production d'électricité. Dans ce cas, un onduleur est nécessaire pour convertir le courant continu en courant alternatif . Il existe encore un marché plus petit pour les systèmes autonomes pour les habitations isolées, les bateaux , les véhicules récréatifs , les voitures électriques , les téléphones d'urgence en bordure de route, la télédétection et la protection cathodique des pipelines .

La production d'électricité photovoltaïque utilise des modules solaires composés d'un certain nombre de cellules solaires contenant un matériau semi-conducteur. Les câbles solaires en cuivre connectent les modules (câble de module), les réseaux (câble de réseau) et les sous-champs. En raison de la demande croissante de sources d'énergie renouvelables, la fabrication de cellules solaires et de panneaux photovoltaïques a considérablement progressé ces dernières années.

Les cellules nécessitent une protection contre l'environnement et sont généralement emballées étroitement dans des modules solaires.

Alimentation du module photovoltaïque est mesurée dans des conditions d'essai standard (STC) dans "W p " ( watts crête ). La puissance de sortie réelle à un endroit particulier peut être inférieure ou supérieure à cette valeur nominale, selon l'emplacement géographique, l'heure de la journée, les conditions météorologiques et d'autres facteurs. Les facteurs de capacité des panneaux solaires photovoltaïques sont généralement inférieurs à 25 %, ce qui est inférieur à celui de nombreuses autres sources industrielles d'électricité.

Efficacité des cellules solaires

L'efficacité électrique d'une cellule PV est une propriété physique qui représente la quantité d'énergie électrique qu'une cellule peut produire pour un rayonnement solaire donné . L'expression de base pour l'efficacité maximale d'une cellule photovoltaïque est donnée par le rapport entre la puissance de sortie et la puissance solaire incidente (flux de rayonnement fois la surface)

L'efficacité est mesurée dans des conditions de laboratoire idéales et représente l'efficacité maximale réalisable de la cellule ou du module PV. L'efficacité réelle est influencée par la température, l'irradiance et le spectre.

Les rendements de conversion d'énergie des cellules solaires pour les panneaux photovoltaïques disponibles dans le commerce sont d'environ 14 à 22 %. Les rendements des cellules solaires ne sont que de 6 % pour les cellules solaires à base de silicium amorphe. Dans les paramètres expérimentaux, un rendement de 44,0 % a été atteint avec des systèmes photovoltaïques expérimentaux concentrés à jonctions multiples . Le fabricant américain de produits photovoltaïques à base d'arséniure de gallium (GaAs) spécialisé, Alta Devices, produit des cellules commerciales avec un rendement de 26 % qui prétend avoir la cellule à jonction unique « solaire la plus efficace au monde » dédiée aux applications flexibles et légères. Pour les cellules solaires au silicium, la société américaine SunPower reste le leader avec un rendement de module certifié de 22,8 %, bien au-dessus de la moyenne du marché de 15 à 18 %. Cependant, des entreprises concurrentes rattrapent leur retard comme le conglomérat sud-coréen LG (21,7% d'efficacité) ou le norvégien REC Group (21,7% d'efficacité).

Pour de meilleures performances, les systèmes photovoltaïques terrestres visent à maximiser le temps qu'ils passent face au soleil. Les trackers solaires y parviennent en déplaçant les modules PV pour suivre le soleil. Les systèmes montés statiques peuvent être optimisés par l'analyse de la trajectoire du soleil . Les modules PV sont souvent réglés sur une inclinaison de latitude, un angle égal à la latitude , mais les performances peuvent être améliorées en ajustant l'angle pour l'été ou l'hiver. Généralement, comme avec d'autres dispositifs à semi-conducteurs, les températures supérieures à la température ambiante réduisent les performances des modules photovoltaïques.

Classiquement, l' électricité produite en courant continu (CC) à partir du solaire PV doit être convertie en courant alternatif (CA) utilisé dans le réseau électrique, avec une perte moyenne de 10 % pendant la conversion. Une perte d'efficacité supplémentaire se produit lors du retour au courant continu pour les appareils et les véhicules alimentés par batterie.

Une grande quantité d'énergie est également nécessaire pour la fabrication des cellules.

Effet de la température

Les performances d'un module photovoltaïque dépendent des conditions environnementales, principalement de l'éclairement énergétique incident global G sur le plan du module. Cependant, la température T de la jonction p–n influence également les principaux paramètres électriques : le courant de court-circuit ISC, la tension en circuit ouvert VOC et la puissance maximale Pmax. Les premières études sur le comportement des cellules PV dans des conditions variables de G et T remontent à plusieurs décennies.1-4 En général, on sait que les COV présentent une corrélation inverse significative avec T, alors que pour l'ISC cette corrélation est directe, mais plus faible, de sorte que cet incrément ne compense pas la diminution des COV. En conséquence, Pmax diminue lorsque T augmente. Cette corrélation entre la puissance de sortie d'une cellule solaire et sa température de travail de jonction dépend du matériau semi-conducteur,2 et elle est due à l'influence de T sur la concentration, la durée de vie et la mobilité des porteurs intrinsèques, c'est-à-dire les électrons et les trous. , à l'intérieur de la cellule PV.

La sensibilité à la température est généralement décrite par certains coefficients de température, chacun exprimant la dérivée du paramètre auquel il se réfère par rapport à la température de jonction. Les valeurs de ces paramètres peuvent être trouvées dans n'importe quelle fiche technique de module PV ; ils sont les suivants :

– β Coefficient de variation de COV par rapport à T, donné par ∂VOC/∂T.

– α Coefficient de variation de ISC par rapport à T, donné par ∂ISC/∂T.

– δ Coefficient de variation de Pmax par rapport à T, donné par ∂Pmax/∂T.

Des techniques d'estimation de ces coefficients à partir de données expérimentales peuvent être trouvées dans la littérature. Peu d'études analysent la variation de la résistance série en fonction de la température de la cellule ou du module. Cette dépendance est étudiée en traitant convenablement la courbe courant-tension. Le coefficient de température de la résistance série est estimé en utilisant le modèle à simple diode ou celui à double diode.

Fabrication

Dans l'ensemble, le processus de fabrication de la création de panneaux solaires photovoltaïques est simple dans la mesure où il ne nécessite pas l'aboutissement de nombreuses pièces complexes ou mobiles. En raison de la nature à l'état solide des systèmes photovoltaïques, ils ont souvent une durée de vie relativement longue, allant de 10 à 30 ans. Pour augmenter la production électrique d'un système PV, le fabricant doit simplement ajouter plus de composants photovoltaïques et, à cause de cela, les économies d'échelle sont importantes pour les fabricants car les coûts diminuent avec l'augmentation de la production.

Bien qu'il existe de nombreux types de systèmes PV connus pour être efficaces, le PV au silicium cristallin représentait environ 90 % de la production mondiale de PV en 2013. La fabrication de systèmes PV au silicium comporte plusieurs étapes. Tout d'abord, le polysilicium est traité à partir de quartz extrait jusqu'à ce qu'il soit très pur (qualité semi-conducteur). Celui-ci est fondu lorsque de petites quantités de bore , un élément du groupe III, sont ajoutées pour fabriquer un semi-conducteur de type p riche en trous d'électrons. En utilisant typiquement un cristal germe, un lingot de cette solution est développé à partir du polycristallin liquide. Le lingot peut également être coulé dans un moule. Des plaquettes de ce matériau semi-conducteur sont découpées dans le matériau en vrac avec des scies à fil, puis subissent une gravure de surface avant d'être nettoyées. Ensuite, les plaquettes sont placées dans un four de dépôt en phase vapeur de phosphore qui dépose une très fine couche de phosphore, un élément du groupe V, qui crée une surface semi-conductrice de type n. Pour réduire les pertes d'énergie, un revêtement antireflet est ajouté à la surface, ainsi que des contacts électriques. Après avoir terminé la cellule, les cellules sont connectées via un circuit électrique en fonction de l'application spécifique et préparées pour l'expédition et l'installation.

Coûts environnementaux de fabrication

L'énergie solaire photovoltaïque n'est pas entièrement "une énergie propre", la production produit des émissions de GES (gaz à effet de serre), les matériaux utilisés pour construire les cellules sont potentiellement non durables et finiront par s'épuiser, la technologie utilise des substances toxiques qui causent de la pollution, et il n'y a pas de solution viable technologies de recyclage des déchets solaires. Une grande quantité d'énergie est nécessaire pour la production des panneaux, dont la plupart est maintenant produite à partir de centrales au charbon en Chine. Les données requises pour étudier leur impact sont parfois affectées par un degré d'incertitude assez important. Les valeurs du travail humain et de la consommation d'eau, par exemple, ne sont pas évaluées avec précision en raison du manque d'analyses systématiques et précises dans la littérature scientifique. Une difficulté pour déterminer les impacts dus au PV est de déterminer si les déchets sont rejetés dans l'air, l'eau ou le sol pendant la phase de fabrication. Les évaluations du cycle de vie , qui examinent tous les différents impacts environnementaux, allant du potentiel de réchauffement climatique à la pollution, à l'épuisement de l'eau et autres, ne sont pas disponibles pour le photovoltaïque. Au lieu de cela, des études ont tenté d'estimer l'impact et les impacts potentiels de divers types de PV, mais ces estimations se limitent généralement à la simple évaluation des coûts énergétiques de la fabrication et/ou du transport , car il s'agit de nouvelles technologies et des impacts environnementaux totaux de leurs composants. et les méthodes d'élimination sont inconnues, même pour les cellules solaires de première génération disponibles dans le commerce , sans parler des prototypes expérimentaux sans viabilité commerciale.

Ainsi, les estimations des impacts environnementaux du PV se sont concentrées sur les équivalents de dioxyde de carbone par kWh ou le temps de retour énergétique (EPBT). L'EPBT décrit la durée de fonctionnement d'un système photovoltaïque afin de générer la même quantité d'énergie que celle utilisée pour sa fabrication. Une autre étude inclut les coûts énergétiques des transports dans l'EPBT. L'EPBT a également été défini de manière complètement différente comme « le temps nécessaire pour compenser l'énergie primaire totale renouvelable et non renouvelable requise pendant le cycle de vie d'un système photovoltaïque » dans une autre étude, qui comprenait également les coûts d'installation. Cet amortissement énergétique, en années, est aussi appelée rentabilité énergétique temps de récupération . Plus l'EPBT est bas, plus le coût environnemental de l'énergie solaire est faible. L'EPBT dépend largement de l'emplacement où le système PV est installé (par exemple, la quantité de lumière solaire disponible et l'efficacité du réseau électrique) et du type de système, à savoir les composants du système.

Un examen de 2015 des estimations EPBT des PV de première et deuxième génération a suggéré qu'il y avait une plus grande variation dans l'énergie intégrée que dans l'efficacité des cellules, ce qui implique que c'est principalement l'énergie intégrée qui doit être réduite pour avoir une plus grande réduction de l'EPBT.

Une grande quantité d'énergie est nécessaire pour la production des panneaux. En général, le composant le plus important des panneaux solaires, qui représente une grande partie de la consommation d'énergie et des émissions de gaz à effet de serre, est le raffinage du polysilicium. La Chine est la source de la majorité du polysilicium dans le monde, la plus grande partie étant produite au Xinjiang en utilisant l'énergie produite à partir de centrales au charbon. Quant au pourcentage de l'EPBT ce silicium dépend du type de système. Un système entièrement autarcique nécessite des composants supplémentaires ('Balance of System', les onduleurs , le stockage, etc.) qui augmentent considérablement le coût énergétique de fabrication, mais dans un système de toit simple, environ 90% du coût énergétique provient du silicium le reste provenant des onduleurs et du châssis du module.

Dans une analyse d'Alsema et al . à partir de 1998, le temps de retour énergétique était supérieur à 10 ans pour l'ancien système en 1997, tandis que pour un système de toiture standard, l'EPBT était calculé entre 3,5 et 8 ans.

L'EPBT est étroitement lié aux concepts de gain énergétique net (NEG) et d' énergie retournée sur l'énergie investie (EROI). Ils sont tous deux utilisés en économie de l'énergie et font référence à la différence entre l'énergie dépensée pour récolter une source d'énergie et la quantité d'énergie tirée de cette récolte. Le NEG et l'EROI prennent également en compte la durée de vie d'un système photovoltaïque et une durée de vie de 25 à 30 ans est généralement supposée. À partir de ces métriques, le temps de récupération de l' énergie peut être dérivé par calcul.

Améliorations EPBT

Les systèmes photovoltaïques utilisant du silicium cristallin, de loin la majorité des systèmes utilisés dans la pratique, ont un EPBT si élevé car le silicium est produit par la réduction de sable de quartz de haute qualité dans des fours électriques . Ce processus de fusion au coke se produit à des températures élevées de plus de 1000 °C et est très énergivore, utilisant environ 11 kilowattheures (kWh) par kilogramme de silicium produit. Les besoins énergétiques de ce processus rendent le coût énergétique par unité de silicium produit relativement inélastique, ce qui signifie que le processus de production lui-même ne deviendra pas plus efficace à l'avenir.

Néanmoins, le temps de récupération d'énergie s'est considérablement raccourci au cours des dernières années, car les cellules de silicium cristallin sont devenues de plus en plus efficaces pour convertir la lumière solaire, tandis que l'épaisseur du matériau de la plaquette était constamment réduite et nécessitait donc moins de silicium pour sa fabrication. Au cours des dix dernières années, la quantité de silicium utilisée pour les cellules solaires est passée de 16 à 6 grammes par watt-crête . Au cours de la même période, l'épaisseur d'une plaquette de c-Si a été réduite de 300 m, ou microns , à environ 160-190 m. Aujourd'hui, les plaquettes de silicium cristallin ne sont plus épaisses que de 40 % par rapport à ce qu'elles étaient en 1990, alors qu'elles mesuraient environ 400 μm. Les techniques de sciage qui découpent les lingots de silicium cristallin en plaquettes se sont également améliorées en réduisant la perte de saignée et en facilitant le recyclage de la sciure de silicium.

Paramètres clés pour l'efficacité des matériaux et de l'énergie
Paramètre Mono-Si CdTe
Efficacité des cellules 16,5% 15,6%
Déclassement de l'efficacité de la cellule au module 8,5% 13,9%
Efficacité des modules 15,1% 13,4%
Épaisseur de plaquette / épaisseur de couche 190 m 4,0 m
Perte de saignée 190 m
Argent par cellule 9,6 g / m 2
Épaisseur du verre 4,0 mm 3,5 mm
Durée de vie opérationnelle 30 ans 30 ans
Source : AIE-PVPS , Analyse du cycle de vie, mars 2015

Impacts du PV de première génération

Les modules en silicium cristallin sont le type PV le plus étudié en termes d'ACV car ils sont les plus couramment utilisés. Les systèmes photovoltaïques au silicium monocristallin (mono-si) ont un rendement moyen de 14,0%. Les cellules ont tendance à suivre une structure d'électrode avant, de film antireflet, de couche n, de couche p et d'électrode arrière, le soleil frappant l'électrode avant. L'EPBT varie de 1,7 à 2,7 ans. Le cradle to gate de CO 2 -eq/kWh varie de 37,3 à 72,2 grammes.

Les techniques de production de cellules photovoltaïques en silicium multicristallin (multi-si) sont plus simples et moins chères que celles en mono-si, mais ont tendance à fabriquer des cellules moins efficaces, en moyenne 13,2 %. L'EPBT varie de 1,5 à 2,6 ans. Le cradle to gate de CO 2 -eq/kWh varie de 28,5 à 69 grammes.

En supposant que les pays suivants disposaient d'une infrastructure de réseau de haute qualité comme en Europe, en 2020, il a été calculé qu'il faudrait 1,28 an à Ottawa , au Canada, pour qu'un système photovoltaïque sur le toit produise la même quantité d'énergie que nécessaire pour fabriquer le silicium dans les modules dedans (à l'exclusion de l'argent, du verre, des montures et d'autres composants), 0,97 an à Catane , en Italie , et 0,4 an à Jaipur , en Inde . En dehors de l'Europe, où les efficacités nettes du réseau sont plus faibles, cela prendrait plus de temps. Ce « temps de retour énergétique » peut être considéré comme la portion de temps pendant la durée de vie utile du module dans laquelle la production d'énergie est polluante. Au mieux, cela signifie qu'un panneau vieux de 30 ans a produit de l'énergie propre pendant 97 % de sa durée de vie, ou que le silicium des modules d'un panneau solaire produit 97 % moins d'émissions de gaz à effet de serre qu'une centrale au charbon pour la même durée de vie. quantité d'énergie (en supposant et en ignorant beaucoup de choses). Certaines études ont examiné au-delà de l'EPBT et du GWP d'autres impacts environnementaux. Dans l'une de ces études, le mix énergétique conventionnel en Grèce a été comparé au PV multi-si et a trouvé une réduction globale de 95 % des impacts, y compris les cancérogènes, l'écotoxicité, l'acidification, l'eutrophisation et onze autres.

Impacts de la deuxième génération

Le tellurure de cadmium (CdTe) est l'une des cellules solaires à couche mince à la croissance la plus rapide , qui sont collectivement connues sous le nom de dispositifs de deuxième génération. Ce nouveau dispositif à couche mince partage également les mêmes restrictions de performances ( limite d'efficacité Shockley-Queisser ) que les dispositifs Si conventionnels, mais promet de réduire le coût de chaque dispositif en réduisant à la fois la consommation de matériaux et d'énergie pendant la fabrication. La part de marché mondiale du CdTe était de 4,7 % en 2008. L'efficacité de conversion de puissance la plus élevée de cette technologie est de 21 %. La structure cellulaire comprend un substrat de verre (environ 2 mm), une couche conductrice transparente, une couche tampon CdS (50-150 nm), un absorbeur CdTe et une couche de contact métallique.

Les systèmes PV CdTe nécessitent moins d'apport d'énergie dans leur production que les autres systèmes PV commerciaux par unité de production d'électricité. Le CO 2 -eq/kWh moyen est d'environ 18 grammes (du berceau à la porte). CdTe a l'EPBT le plus rapide de toutes les technologies photovoltaïques commerciales, qui varie entre 0,3 et 1,2 an.

Technologies expérimentales

Le photovoltaïque au silicium cristallin n'est qu'un type de PV, et bien qu'ils représentent la majorité des cellules solaires produites actuellement, il existe de nombreuses technologies nouvelles et prometteuses qui ont le potentiel d'être étendues pour répondre aux futurs besoins énergétiques. Depuis 2018, la technologie des cellules en silicium cristallin sert de base à plusieurs types de modules photovoltaïques, notamment monocristallins, multicristallins, mono PERC et bifacial.

Une autre technologie plus récente, les PV à couche mince, est fabriquée en déposant des couches semi-conductrices de pérovskite , un minéral aux propriétés semi-conductrices, sur un substrat sous vide. Le substrat est souvent en verre ou en acier inoxydable, et ces couches semi-conductrices sont constituées de nombreux types de matériaux, notamment le tellurure de cadmium (CdTe), le cuivre-indium diséléniure (CIS), le cuivre-indium-gallium diséléniure (CIGS) et le silicium amorphe (a-Si ). Après avoir été déposées sur le substrat, les couches semi-conductrices sont séparées et connectées par circuit électrique par traçage laser. Les cellules solaires à pérovskite sont un convertisseur d'énergie solaire très efficace et possèdent d'excellentes propriétés optoélectroniques à des fins photovoltaïques, mais leur mise à l'échelle des cellules de la taille d'un laboratoire aux modules de grande surface est toujours en cours de recherche. Les matériaux photovoltaïques en couches minces pourraient éventuellement devenir attrayants à l'avenir, en raison des exigences réduites en matériaux et du coût de fabrication des modules constitués de couches minces par rapport aux plaquettes à base de silicium. En 2019, les laboratoires universitaires d'Oxford, de Stanford et d'ailleurs ont signalé des cellules solaires à pérovskite avec des rendements de 20 à 25 %.

D'autres technologies photovoltaïques futures possibles incluent le photovoltaïque organique, à colorant et à points quantiques. Les photovoltaïques organiques (OPV) appartiennent à la catégorie de fabrication des couches minces et fonctionnent généralement autour de la plage d'efficacité de 12 %, ce qui est inférieur aux 12 à 21 % généralement observés par les photovoltaïques à base de silicium. Étant donné que les photovoltaïques organiques nécessitent une pureté très élevée et sont relativement réactifs, ils doivent être encapsulés, ce qui augmente considérablement le coût de fabrication et signifie qu'ils ne sont pas réalisables à grande échelle. Les PV sensibilisés aux colorants ont une efficacité similaire aux OPV mais sont nettement plus faciles à fabriquer. Cependant, ces photovoltaïques à colorant présentent des problèmes de stockage car l'électrolyte liquide est toxique et peut potentiellement imprégner les plastiques utilisés dans la cellule. Les cellules solaires à points quantiques sont traitées en solution, ce qui signifie qu'elles sont potentiellement évolutives, mais actuellement elles culminent à 12% d'efficacité.

Le séléniure de cuivre-indium-gallium (CIGS) est une cellule solaire à couche mince basée sur la famille de semi-conducteurs à base de cuivre-indium-diséléniure (CIS) . CIS et CIGS sont souvent utilisés de manière interchangeable au sein de la communauté CIS/CIGS. La structure cellulaire comprend du verre sodocalcique comme substrat, une couche de Mo comme contact arrière, CIS/CIGS comme couche absorbante, du sulfure de cadmium (CdS) ou Zn (S,OH)x comme couche tampon et ZnO:Al comme contact avant. Le CIGS est environ 1/100ème de l'épaisseur des technologies conventionnelles de cellules solaires au silicium. Les matériaux nécessaires à l'assemblage sont facilement disponibles et sont moins coûteux par watt de cellule solaire. Les dispositifs solaires à base de CIGS résistent à la dégradation des performances au fil du temps et sont très stables sur le terrain.

Les impacts potentiels sur le réchauffement climatique rapportés du CIGS vont de 20,5 à 58,8 grammes de CO 2 -eq/kWh d'électricité produite pour différentes irradiations solaires (1 700 à 2 200 kWh/m 2 /an) et l'efficacité de conversion d'énergie (7,8 à 9,12 %). L'EPBT varie de 0,2 à 1,4 an, tandis que la valeur harmonisée de l'EPBT a été trouvée à 1,393 ans. La toxicité est un problème dans la couche tampon des modules CIGS car elle contient du cadmium et du gallium. Les modules CIS ne contiennent pas de métaux lourds.

Les PV de troisième génération sont conçus pour combiner les avantages des appareils de première et de deuxième génération et ils n'ont pas de limite Shockley-Queisser , une limite théorique pour les cellules PV de première et deuxième génération. L'épaisseur d'un dispositif de troisième génération est inférieure à 1 µm.

Une technologie alternative émergente et prometteuse est basée sur une cellule solaire hybride organique-inorganique constituée de pérovskites aux halogénures de plomb et de méthylammonium. Les cellules photovoltaïques à pérovskite ont progressé rapidement au cours des dernières années et sont devenues l'un des domaines les plus attrayants pour la recherche photovoltaïque. La structure de la cellule comprend un contact arrière métallique (qui peut être constitué d'Al, Au ou Ag), une couche de transfert de trous (spiro-MeOTAD, P3HT, PTAA, CuSCN, CuI ou NiO) et une couche absorbante (CH 3 NH 3 PbIxBr 3 -x, CH 3 NH 3 PbIxCl 3 -x ou CH 3 NH 3 PbI 3 ), une couche de transport d'électrons (TiO, ZnO, Al 2 O 3 ou SnO 2 ) et une couche de contact supérieure (oxyde d'étain dopé fluor ou oxyde d'indium dopé à l'étain).

Il existe un nombre limité d'études publiées sur les impacts environnementaux des cellules solaires à pérovskite. La principale préoccupation environnementale est le plomb utilisé dans la couche absorbante. En raison de l'instabilité des cellules de pérovskite, le plomb peut éventuellement être exposé à l'eau douce pendant la phase d'utilisation. Ces études d'ACV se sont penchées sur l'humain et l'écotoxicité des cellules solaires à pérovskite et ont constaté qu'elles étaient étonnamment faibles et pourraient ne pas être un problème environnemental. Le potentiel de réchauffement global des PV à pérovskite s'est avéré être de l'ordre de 24 à 1500 grammes de CO 2 eq/kWh de production d'électricité. De même, l'EPBT rapporté de l'article publié varie de 0,2 à 15 ans. La large gamme de valeurs rapportées met en évidence les incertitudes associées à ces études. Celik et al. (2016) ont examiné de manière critique les hypothèses formulées dans les études d'ACV de pérovskite PV.

Deux nouvelles technologies prometteuses en couches minces sont le sulfure de cuivre et d'étain (Cu 2 ZnSnS 4 ou CZTS), le phosphure de zinc (Zn 3 P 2 ) et les nanotubes de carbone à paroi simple (SWCNT). Ces couches minces ne sont actuellement produites qu'en laboratoire mais pourraient être commercialisées à l'avenir. La fabrication des procédés CZTS et (Zn 3 P 2 ) devrait être similaire à celle des technologies à couche mince actuelles de CIGS et de CdTe, respectivement. Alors que la couche absorbante de SWCNT PV devrait être synthétisée avec la méthode CoMoCAT. Contrairement aux films minces établis tels que CIGS et CdTe, les PV CZTS, Zn 3 P 2 et SWCNT sont fabriqués à partir de matériaux non toxiques abondants sur terre et ont le potentiel de produire plus d'électricité par an que la consommation mondiale actuelle. Alors que le CZTS et le Zn 3 P 2 sont prometteurs pour ces raisons, les implications environnementales spécifiques de leur production commerciale ne sont pas encore connues. Le potentiel de réchauffement global du CZTS et du Zn 3 P 2 a été trouvé à 38 et 30 grammes de CO 2 -eq/kWh tandis que leurs EPBT correspondants ont été trouvés respectivement à 1,85 et 0,78 ans. Globalement, le CdTe et le Zn 3 P 2 ont des impacts environnementaux similaires mais peuvent légèrement surpasser le CIGS et le CZTS. Une étude sur les impacts environnementaux des PV SWCNT par Celik et al., comprenant un dispositif existant à 1 % d'efficacité et un dispositif théorique à 28 % d'efficacité, a révélé que, par rapport au Si monocristallin, les impacts environnementaux de 1 % de SWCNT étaient ∼18 fois plus élevés en raison principalement à la courte durée de vie de trois ans.

Le photovoltaïque organique et polymère (OPV) est un domaine de recherche relativement nouveau. Les couches de structure cellulaire OPV traditionnelles se composent d'une électrode semi-transparente, d'une couche de blocage d'électrons, d'une jonction tunnel, d'une couche de blocage de trous, d'une électrode, le soleil frappant l'électrode transparente. L'OPV remplace l'argent par du carbone en tant que matériau d'électrode, ce qui réduit les coûts de fabrication et les rend plus respectueux de l'environnement. Les OPV sont flexibles, légers et fonctionnent bien avec la fabrication rouleau à rouleau pour la production de masse. L'OPV n'utilise "que des éléments abondants couplés à une énergie intrinsèque extrêmement faible grâce à des températures de traitement très basses en utilisant uniquement des conditions de traitement ambiantes sur un équipement d'impression simple permettant des temps de retour d'énergie". Les rendements actuels vont de 1 à 6,5 %, mais les analyses théoriques sont prometteuses au-delà de 10 % d'efficacité.

Il existe de nombreuses configurations différentes d'OPV utilisant différents matériaux pour chaque couche. La technologie OPV rivalise avec les technologies PV existantes en termes d'EPBT même si elles présentent actuellement une durée de vie opérationnelle plus courte. Une étude de 2013 a analysé 12 configurations différentes toutes avec un rendement de 2%, l'EPBT variait de 0,29 à 0,52 an pour 1 m 2 de PV. Le CO 2 -eq/kWh moyen pour l'OPV est de 54,922 grammes.

Là où la terre peut être limitée, le PV peut être déployé en tant que solaire flottant . En 2008, la cave Far Niente a lancé le premier système "floatovoltaïque" au monde en installant 994 panneaux solaires photovoltaïques sur 130 pontons et en les faisant flotter sur l'étang d'irrigation de la cave. Un avantage de la configuration est que les panneaux sont maintenus à une température plus basse qu'ils ne le seraient sur terre, ce qui conduit à une efficacité plus élevée de la conversion de l'énergie solaire. Les panneaux flottants réduisent également la quantité d'eau perdue par évaporation et inhibent la croissance des algues.

Concentrateur photovoltaïque est une technologie qui contrairement aux systèmes conventionnels PV de plaque plane utilise des lentilles et des miroirs courbes se concentrer la lumière solaire sur petite, mais très efficace, à jonctions multiples cellules solaires. Ces systèmes utilisent parfois des trackers solaires et un système de refroidissement pour augmenter leur efficacité.

Économie

Source : Apricus

Il y a eu des changements majeurs dans les coûts sous-jacents, la structure de l'industrie et les prix du marché de la technologie solaire photovoltaïque, au fil des ans, et obtenir une image cohérente des changements qui se produisent dans la chaîne de valeur de l'industrie à l'échelle mondiale est un défi. Ceci est dû à : « la rapidité des changements de coûts et de prix, la complexité de la chaîne d'approvisionnement photovoltaïque, qui implique un grand nombre de processus de fabrication, l'équilibre du système (BOS) et les coûts d'installation associés aux systèmes photovoltaïques complets, le choix des différents canaux de distribution et les différences entre les marchés régionaux au sein desquels le PV est déployé". D'autres complexités résultent des nombreuses initiatives de soutien politique différentes qui ont été mises en place pour faciliter la commercialisation du photovoltaïque dans divers pays.

Les technologies des énergies renouvelables sont généralement devenues moins chères depuis leur invention. Les systèmes d'énergie renouvelable sont devenus moins chers à construire que les centrales électriques à combustibles fossiles dans une grande partie du monde, grâce aux progrès de la technologie de l'énergie éolienne et solaire, en particulier.

Frais de matériel

Historique des prix par watt pour les cellules solaires conventionnelles ( c-Si ) depuis 1977.

En 1977, les prix des cellules solaires en silicium cristallin étaient de 76,67 $/W.

Bien que les prix de gros des modules soient restés stables autour de 3,50 $ à 4,00 $/W au début des années 2000 en raison de la forte demande en Allemagne et en Espagne grâce à de généreuses subventions et à la pénurie de polysilicium, la demande s'est effondrée avec la fin brutale des subventions espagnoles après le krach boursier de 2008, et le prix a chuté rapidement à 2,00 $/W. Les fabricants ont pu maintenir une marge opérationnelle positive malgré une baisse de 50 % des revenus due à l'innovation et à la réduction des coûts. À la fin de 2011, les prix départ usine des modules photovoltaïques en silicium cristallin sont soudainement tombés en dessous de la barre des 1,00 $/W, prenant de nombreux acteurs de l'industrie par surprise, et ont provoqué la faillite de plusieurs entreprises de fabrication d'énergie solaire dans le monde. Le coût de 1,00 $/W est souvent considéré dans l'industrie photovoltaïque comme marquant l'atteinte de la parité réseau pour le photovoltaïque, mais la plupart des experts ne pensent pas que ce prix soit durable. Les progrès technologiques, les améliorations des processus de fabrication et la restructuration de l'industrie peuvent signifier que de nouvelles réductions de prix sont possibles. Le prix de détail moyen des cellules solaires tel que surveillé par le groupe Solarbuzz est passé de 3,50 $/watt à 2,43 $/watt au cours de 2011. En 2013, les prix de gros étaient tombés à 0,74 $/W. Cela a été cité comme preuve à l'appui de la « loi de Swanson », une observation similaire à la célèbre loi de Moore , qui prétend que les prix des cellules solaires chutent de 20 % pour chaque doublement de la capacité de l'industrie. L'Institut Fraunhofer définit le « taux d'apprentissage » comme la baisse des prix lorsque la production cumulée double, d'environ 25 % entre 1980 et 2010. Bien que les prix des modules aient chuté rapidement, les prix actuels des onduleurs ont chuté à un rythme beaucoup plus faible, et en 2019 représentent plus de 61 % du coût du kWc, contre un quart au début des années 2000.

Notez que les prix mentionnés ci-dessus sont pour les modules nus, une autre façon de regarder les prix des modules est d'inclure les coûts d'installation. Aux États-Unis, selon la Solar Energy Industries Association, le prix des modules photovoltaïques installés sur le toit pour les propriétaires est passé de 9,00 $/W en 2006 à 5,46 $/W en 2011. Y compris les prix payés par les installations industrielles, le prix national installé tombe à 3,45 $. /W. Ceci est nettement plus élevé qu'ailleurs dans le monde, en Allemagne, les installations sur le toit des propriétaires s'élevaient en moyenne à 2,24 $/W. On pense que les différences de coûts sont principalement dues au fardeau réglementaire plus élevé et à l'absence d'une politique solaire nationale aux États-Unis.

Fin 2012, les fabricants chinois avaient des coûts de production de 0,50 $/W dans les modules les moins chers. Sur certains marchés, les distributeurs de ces modules peuvent gagner une marge considérable, en achetant au prix départ usine et en vendant au prix le plus élevé que le marché puisse supporter (« prix basé sur la valeur »).

En Californie, le PV a atteint la parité réseau en 2011, ce qui est généralement défini comme des coûts de production PV égaux ou inférieurs aux prix de détail de l'électricité (bien que souvent encore supérieurs aux prix des centrales électriques pour la production de charbon ou de gaz sans leurs coûts de distribution et autres). La parité réseau avait été atteinte sur 19 marchés en 2014.

Coût nivelé de l'électricité

Le coût actualisé de l'électricité (LCOE) est le coût par kWh basé sur les coûts répartis sur la durée de vie du projet, et est considéré comme une meilleure mesure pour le calcul de la viabilité que le prix par wattage. Les LCOE varient considérablement selon l'emplacement. Le LCOE peut être considéré comme le prix minimum que les clients devront payer à la compagnie d'électricité pour qu'elle atteigne le seuil de rentabilité de l'investissement dans une nouvelle centrale électrique. La parité du réseau est à peu près atteinte lorsque le LCOE tombe à un prix similaire à celui des prix du réseau local conventionnel, bien qu'en réalité les calculs ne soient pas directement comparables. Les grandes installations photovoltaïques industrielles avaient atteint la parité réseau en Californie en 2011. La parité réseau pour les systèmes de toiture était encore considérée comme beaucoup plus éloignée à cette époque. De nombreux calculs du LCOE ne sont pas considérés comme exacts et un grand nombre d'hypothèses sont nécessaires. Les prix des modules pourraient encore baisser et le LCOE pour l'énergie solaire pourrait baisser en conséquence à l'avenir.

Étant donné que la demande d'énergie augmente et diminue au cours de la journée et que l'énergie solaire est limitée par le fait que le soleil se couche, les entreprises d'énergie solaire doivent également prendre en compte les coûts supplémentaires liés à la fourniture d'une énergie alternative plus stable au réseau afin de stabiliser le système ou stocker l'énergie d'une manière ou d'une autre (la technologie actuelle des batteries ne peut pas stocker suffisamment d'énergie). Ces coûts ne sont pas pris en compte dans les calculs du LCOE, pas plus que les subventions ou primes spéciales susceptibles de rendre l'achat d'énergie solaire plus attractif. Le manque de fiabilité et la variation temporelle de la production d'énergie solaire et éolienne est un problème majeur. Une trop grande quantité de ces sources d'énergie volatiles peut provoquer une instabilité de l'ensemble du réseau.

En 2017, les prix des accords d'achat d'électricité pour les parcs solaires inférieurs à 0,05 $/kWh sont courants aux États-Unis, et les offres les plus basses dans certains pays du golfe Persique étaient d'environ 0,03 $/kWh. L'objectif du Département de l'énergie des États-Unis est d'atteindre un coût actualisé de l'énergie pour l'énergie solaire photovoltaïque de 0,03 $/kWh pour les entreprises de services publics.

Subventions et financement

Des incitations financières pour le photovoltaïque , telles que les tarifs de rachat (FIT), sont souvent proposées aux consommateurs d'électricité pour installer et exploiter des systèmes de production d'électricité solaire, et dans certains pays, ces subventions sont le seul moyen pour le photovoltaïque de rester économiquement rentable. En Allemagne, les subventions FIT sont généralement supérieures d'environ 0,13 € au prix de détail normal du kWh (0,05 €). Les FIT PV ont été cruciaux pour l'adoption de l'industrie, et sont disponibles pour les consommateurs dans plus de 50 pays à partir de 2011. L'Allemagne et l'Espagne ont été les pays les plus importants en ce qui concerne l'offre de subventions pour le PV, et les politiques de ces pays ont stimulé la demande en le passé. Certaines entreprises américaines de fabrication de cellules solaires se sont plaintes à plusieurs reprises que la baisse des prix des modules photovoltaïques avait été obtenue en raison des subventions du gouvernement chinois et du dumping de ces produits en dessous des prix du marché. Les fabricants américains recommandent généralement des tarifs élevés sur les fournitures étrangères pour leur permettre de rester rentables. En réponse à ces préoccupations, l'administration Obama a commencé à imposer des droits de douane aux consommateurs américains de ces produits en 2012 afin d'augmenter les prix pour les fabricants nationaux. Sous l'administration Trump, le gouvernement américain a imposé de nouveaux tarifs aux consommateurs américains pour restreindre le commerce des modules solaires. Les États-Unis, cependant, subventionnent également l'industrie, offrant aux consommateurs un crédit d'impôt fédéral de 30 % pour l'achat de modules. À Hawaï, les subventions fédérales et étatiques réduisent jusqu'à deux tiers des coûts d'installation.

Certains écologistes ont promu l'idée que des incitations gouvernementales devraient être utilisées afin d'étendre l'industrie de fabrication photovoltaïque afin de réduire les coûts de l'électricité générée par le photovoltaïque beaucoup plus rapidement à un niveau où elle est capable de concurrencer les combustibles fossiles sur un marché libre. Ceci est basé sur la théorie selon laquelle lorsque la capacité de fabrication double, les économies d'échelle entraîneront une réduction de moitié des prix des produits solaires.

Dans de nombreux pays, l'accès au capital fait défaut pour développer des projets photovoltaïques. Pour résoudre ce problème, la titrisation a été proposée pour accélérer le développement de projets solaires photovoltaïques. Par exemple, SolarCity a offert le premier titre américain adossé à des actifs dans l'industrie solaire en 2013.

Autre

L'énergie photovoltaïque est également produite à une heure de la journée proche de la demande de pointe (la précède) dans les systèmes électriques avec une forte utilisation de la climatisation. Étant donné que l'exploitation du photovoltaïque à grande échelle nécessite une sauvegarde sous la forme de réserves tournantes, son coût marginal de production en milieu de journée est généralement le plus bas, mais pas nul, lorsque le photovoltaïque produit de l'électricité. Cela peut être vu dans la figure 1 de cet article :. Pour les propriétés résidentielles dotées d'installations photovoltaïques privées connectées au réseau, le propriétaire peut être en mesure de gagner de l'argent supplémentaire lorsque le temps de production est inclus, car l'électricité vaut plus le jour que la nuit.

Un journaliste a émis l'hypothèse en 2012 que si les factures d'énergie des Américains avaient été forcées à la hausse en imposant une taxe supplémentaire de 50 $/tonne sur les émissions de dioxyde de carbone provenant des centrales au charbon, cela aurait pu permettre à l'énergie solaire photovoltaïque de paraître plus compétitive aux yeux des consommateurs dans la plupart des cas. Emplacements.

Croissance

Croissance mondiale du photovoltaïque sur une parcelle semi-log depuis 1992

Le solaire photovoltaïque a constitué le plus grand corpus de recherche parmi les sept types d'énergie durable examinés dans une étude bibliométrique mondiale , avec une production scientifique annuelle passant de 9 094 publications en 2011 à 14 447 publications en 2019.

De même, l'application de l'énergie solaire photovoltaïque se développe rapidement et la capacité installée mondiale a atteint environ 515 gigawatts (GW) en 2018. La puissance totale de la capacité photovoltaïque mondiale au cours d'une année civile dépasse désormais les 500 TWh d'électricité. Cela représente 2 % de la demande mondiale d'électricité. Plus de 100 pays utilisent l'énergie solaire photovoltaïque. La Chine est suivie par les États-Unis et le Japon , tandis que les installations en Allemagne , autrefois premier producteur mondial, ralentissent.

Le Honduras a généré le pourcentage le plus élevé de son énergie à partir de l'énergie solaire en 2019, 14,8%. En 2019, le Vietnam a la capacité installée la plus élevée d'Asie du Sud-Est, environ 4,5 GW. Le taux d'installation annualisé d'environ 90 W par habitant et par an place le Vietnam parmi les leaders mondiaux. Le tarif de rachat généreux (FIT) et les politiques de soutien du gouvernement telles que les exonérations fiscales ont été la clé pour permettre le boom solaire photovoltaïque au Vietnam. Les moteurs sous-jacents incluent le désir du gouvernement d'améliorer l'autosuffisance énergétique et la demande du public pour la qualité de l'environnement local.

Un obstacle majeur est la capacité limitée du réseau de transport.

La Chine possède la plus grande capacité d'énergie solaire au monde, avec 253 GW de capacité installée fin 2020 contre environ 151 GW dans l'Union européenne, selon les données de l'Agence internationale de l'énergie. ( https://www.reuters.com/business/energy/china-add-55-65-gw-solar-power-capacity-2021-industry-body-2021-07-22/ )

Top 10 des pays PV en 2019 (MW)
Capacité solaire installée et totale en 2019 (MW)
# Nation Capacité totale Capacité ajoutée
1 Chine Chine 204 700 30 100
2 États Unis États Unis 75 900 13.300
3 Japon Japon 63 000 7 000
4 Allemagne Allemagne 49 200 3 900
5 Inde Inde 42 800 9 900
6 Italie Italie 20 800 600
7 Australie Australie 15 928 3 700
8 Royaume-Uni Royaume-Uni 13.300 233
9 Corée du Sud Corée du Sud 11.200 3 100
dix La France La France 9 900 900

Données : Aperçu IEA-PVPS du rapport Global PV Markets 2020 , avril 2020 Voir également Énergie solaire par pays pour une liste complète et continuellement mise à jour

En 2017, il était probable que d'ici 2030, les capacités photovoltaïques mondiales installées pourraient se situer entre 3 000 et 10 000 GW. Greenpeace a affirmé en 2010 que 1 845 GW de systèmes photovoltaïques dans le monde pourraient générer environ 2 646 TWh/an d'électricité d'ici 2030, et d'ici 2050, plus de 20 % de toute l'électricité pourrait être fournie par le photovoltaïque.

Applications

Systèmes photovoltaïques

Un système photovoltaïque, ou système solaire photovoltaïque, est un système d'alimentation conçu pour fournir de l'énergie solaire utilisable au moyen de l'énergie photovoltaïque. Il se compose d'un agencement de plusieurs composants, y compris des panneaux solaires pour absorber et convertir directement la lumière du soleil en électricité, un onduleur solaire pour changer le courant électrique du courant continu au courant alternatif, ainsi que le montage, le câblage et d'autres accessoires électriques. Les systèmes photovoltaïques vont des petits systèmes montés sur le toit ou intégrés au bâtiment avec des capacités de quelques à plusieurs dizaines de kilowatts , aux grandes centrales électriques de plusieurs centaines de mégawatts . De nos jours, la plupart des systèmes photovoltaïques sont connectés au réseau , tandis que les systèmes autonomes ne représentent qu'une petite partie du marché.

  • Systèmes intégrés de toiture et de bâtiment
PV sur le toit d'une maison à colombages
Les panneaux photovoltaïques sont souvent associés aux bâtiments : soit intégrés à ceux-ci, soit montés sur eux, soit montés à proximité sur le sol. Les systèmes photovoltaïques sur les toits sont le plus souvent installés dans des bâtiments existants, généralement montés au-dessus de la structure du toit existante ou sur les murs existants. Alternativement, un réseau peut être situé séparément du bâtiment mais connecté par câble pour alimenter le bâtiment. Le photovoltaïque intégré au bâtiment (BIPV) est de plus en plus intégré au toit ou aux murs des nouveaux bâtiments domestiques et industriels en tant que source principale ou auxiliaire d'énergie électrique. Des tuiles avec cellules photovoltaïques intégrées sont également parfois utilisées. À condition qu'il y ait un espace ouvert dans lequel l'air peut circuler, les panneaux solaires montés sur le toit peuvent fournir un effet de refroidissement passif sur les bâtiments pendant la journée et également conserver la chaleur accumulée la nuit. En règle générale, les systèmes de toit résidentiels ont de petites capacités d'environ 5 à 10 kW, tandis que les systèmes de toit commerciaux représentent souvent plusieurs centaines de kilowatts. Bien que les systèmes de toiture soient beaucoup plus petits que les centrales électriques installées au sol, ils représentent la majeure partie de la capacité installée dans le monde.
  • Capteur solaire hybride thermique photovoltaïque
Les capteurs solaires hybrides thermiques photovoltaïques (PVT) sont des systèmes qui convertissent le rayonnement solaire en énergie thermique et électrique. Ces systèmes combinent une cellule solaire photovoltaïque, qui convertit la lumière du soleil en électricité, avec un capteur solaire thermique , qui capte l'énergie restante et élimine la chaleur résiduelle du module photovoltaïque. La capture à la fois de l'électricité et de la chaleur permet à ces appareils d'avoir une exergie plus élevée et donc d'être globalement plus écoénergétiques que le solaire photovoltaïque ou le solaire thermique seul.
  • Centrales
Image satellite de la ferme solaire Topaz
De nombreuses fermes solaires à grande échelle ont été construites dans le monde entier. En 2011, le projet Solar Star de 579 mégawatts (MW AC ) a été proposé, qui sera suivi à l'avenir par la ferme solaire Desert Sunlight et la ferme solaire Topaz , toutes deux d'une capacité de 550 MW AC , qui seront construites par une société américaine. First Solar , utilisant des modules CdTe , une technologie photovoltaïque à couche mince . Les trois centrales seront situées dans le désert californien. Lorsque le projet Solar Star a été achevé en 2015, il s'agissait à l'époque de la plus grande centrale photovoltaïque au monde.
  • Agrivoltaïque
Un certain nombre de fermes solaires expérimentales ont été établies dans le monde pour tenter d'intégrer la production d'énergie solaire à l'agriculture . Un fabricant italien a promu une conception qui suit la trajectoire quotidienne du soleil dans le ciel pour générer plus d'électricité que les systèmes fixes conventionnels.
  • Électrification rurale
Les pays en développement où de nombreux villages sont souvent à plus de cinq kilomètres du réseau électrique utilisent de plus en plus le photovoltaïque. Dans des endroits reculés de l'Inde, un programme d'éclairage rural a fourni un éclairage LED à énergie solaire pour remplacer les lampes à kérosène. Les lampes à énergie solaire étaient vendues au prix de quelques mois d'approvisionnement en kérosène. Cuba s'efforce de fournir de l'énergie solaire aux zones hors réseau. Les applications plus complexes de l'utilisation de l'énergie solaire hors réseau incluent les imprimantes 3D . Les imprimantes 3D RepRap fonctionnent à l'énergie solaire avec la technologie photovoltaïque, ce qui permet une fabrication distribuée pour le développement durable . Ce sont des domaines où les coûts et les avantages sociaux offrent un excellent argument en faveur du solaire, bien que le manque de rentabilité ait relégué ces efforts aux efforts humanitaires. Cependant, en 1995, les projets d' électrification rurale solaire s'étaient avérés difficiles à maintenir en raison d'une économie défavorable, d'un manque de soutien technique et d'un héritage d'arrière-pensées de transfert de technologie nord-sud.
  • Systèmes autonomes
Jusqu'à il y a une dizaine d'années, le PV était fréquemment utilisé pour alimenter les calculatrices et les appareils de fantaisie. Les améliorations apportées aux circuits intégrés et aux écrans à cristaux liquides de faible puissance permettent d'alimenter de tels dispositifs pendant plusieurs années entre les changements de batterie, rendant l'utilisation du PV moins courante. En revanche, les dispositifs fixes à distance alimentés à l'énergie solaire ont récemment été utilisés de plus en plus dans des endroits où les coûts de connexion importants rendent l'alimentation du réseau prohibitive. Ces applications incluent les lampes solaires , les pompes à eau, les parcmètres , les téléphones d'urgence , les compacteurs de déchets , les panneaux de signalisation temporaires, les stations de recharge et les postes et signaux de garde à distance.
  • Dans les transports
Le PV a traditionnellement été utilisé pour l'énergie électrique dans l'espace. Le PV est rarement utilisé pour fournir de l'énergie motrice dans les applications de transport, mais il peut fournir de l'énergie auxiliaire dans les bateaux et les voitures. Certaines voitures sont équipées d'une climatisation solaire. Un véhicule solaire autonome aurait une puissance et une utilité limitées, mais un véhicule électrique à charge solaire permet l'utilisation de l'énergie solaire pour le transport. Des voitures, des bateaux et des avions à énergie solaire ont été démontrés, les plus pratiques et les plus probables étant les voitures solaires . L' avion solaire suisse , Solar Impulse 2 , a réalisé le plus long vol en solo sans escale de l'histoire et a réalisé le premier tour du monde à l'énergie solaire en 2016.
  • Télécommunication et signalisation
L'énergie solaire photovoltaïque est idéale pour les applications de télécommunication telles que le central téléphonique local, la diffusion radio et TV, les micro-ondes et d'autres formes de liaisons de communication électronique. En effet, dans la plupart des applications de télécommunication, les batteries de stockage sont déjà utilisées et le système électrique est essentiellement en courant continu. En terrain vallonné et montagneux, les signaux radio et TV peuvent ne pas atteindre car ils sont bloqués ou réfléchis en raison du terrain vallonné. À ces endroits, des émetteurs de faible puissance (LPT) sont installés pour recevoir et retransmettre le signal pour la population locale.
  • Applications d'engins spatiaux
Une partie du panneau solaire de Juno
Les panneaux solaires des engins spatiaux sont généralement la seule source d'énergie pour faire fonctionner les capteurs, le chauffage et le refroidissement actifs et les communications. Une batterie stocke cette énergie pour l'utiliser lorsque les panneaux solaires sont à l'ombre. Dans certains, la puissance est également utilisée pour la propulsion des engins spatiauxpropulsion électrique . Les engins spatiaux ont été l'une des premières applications du photovoltaïque, à commencer par les cellules solaires au silicium utilisées sur le satellite Vanguard 1 , lancé par les États-Unis en 1958. Depuis lors, l'énergie solaire a été utilisée pour des missions allant de la sonde MESSENGER à Mercure, en passant par loin dans le système solaire comme la sonde Juno vers Jupiter. Le plus grand système d'énergie solaire piloté dans l'espace est le système électrique de la Station spatiale internationale . Pour augmenter la puissance générée par kilogramme, les panneaux solaires typiques des engins spatiaux utilisent des cellules solaires multi-jonctions rectangulaires à haute efficacité et à haute efficacité en arséniure de gallium (GaAs) et d'autres matériaux semi-conducteurs.
  • Systèmes d'alimentation spécialisés
Le photovoltaïque peut également être incorporé en tant que dispositifs de conversion d'énergie pour des objets à des températures élevées et avec des émissivités radiatives préférables telles que des chambres de combustion hétérogènes .
  • Photovoltaïque d'intérieur (IPV)
Le photovoltaïque intérieur a le potentiel d'alimenter l' Internet des objets , comme les capteurs intelligents et les appareils de communication, offrant une solution aux limitations de la batterie telles que la consommation d'énergie, la toxicité et la maintenance. L'éclairage intérieur ambiant, tel que les LED et les lampes fluorescentes , émet suffisamment de rayonnement pour alimenter de petits appareils électroniques ou des appareils à faible consommation d'énergie. Dans ces applications, le photovoltaïque intérieur sera en mesure d'améliorer la fiabilité et d'augmenter la durée de vie des réseaux sans fil , ce qui est particulièrement important avec le nombre important de capteurs sans fil qui seront installés dans les années à venir.
En raison du manque d'accès au rayonnement solaire , l' intensité de l'énergie récupérée par les panneaux photovoltaïques intérieurs est généralement inférieure de trois ordres de grandeur à celle de la lumière solaire, ce qui affectera l'efficacité des cellules photovoltaïques. La bande interdite optimale pour la récolte de lumière en intérieur est d'environ 1,9-2 eV, par rapport à l'optimum de 1,4 eV pour la récolte de lumière en extérieur. L'augmentation de la bande interdite optimale entraîne également une tension en circuit ouvert (COV) plus importante , ce qui affecte également l'efficacité. Le photovoltaïque au silicium , le type de cellule photovoltaïque le plus répandu sur le marché, n'est capable d'atteindre qu'un rendement d'environ 8% lors de la récolte de la lumière ambiante intérieure, par rapport à son efficacité de 26% à la lumière du soleil. Une alternative possible consiste à utiliser du silicium amorphe, a-Si , car il a une bande interdite plus large de 1,6 eV par rapport à son homologue cristallin, ce qui le rend plus approprié pour capturer les spectres lumineux intérieurs.
D'autres matériaux et technologies prometteurs pour le photovoltaïque intérieur comprennent les matériaux à couche mince , les capteurs de lumière III-V, le photovoltaïque organique (OPV) et les cellules solaires à pérovskite .
  • Les matériaux à couche mince, en particulier le CdTe , ont affiché de bonnes performances dans des conditions de faible luminosité et diffuses, avec une bande interdite de 1,5 eV.
  • Certaines cellules III-V à jonction unique ont des bandes interdites de l'ordre de 1,8 à 1,9 eV, qui se sont avérées conserver de bonnes performances sous un éclairage intérieur, avec une efficacité de plus de 20 %.
  • Il y a eu divers photovoltaïques organiques qui ont démontré des efficacités de plus de 16% de l'éclairage intérieur, malgré une faible efficacité de récupération d'énergie sous la lumière du soleil. Cela est dû au fait que les OPV ont un coefficient d'absorption élevé, des plages d'absorption réglables, ainsi que de faibles courants de fuite dans la pénombre, ce qui leur permet de convertir l'éclairage intérieur plus efficacement que les PV inorganiques.
  • Les cellules solaires à pérovskite ont été testées pour afficher des rendements supérieurs à 25 % dans des niveaux de faible luminosité. Alors que les cellules solaires à pérovskite contiennent souvent du plomb, ce qui soulève des inquiétudes quant à leur toxicité, les matériaux inspirés de la pérovskite sans plomb sont également prometteurs en tant que photovoltaïque d'intérieur. Alors que de nombreuses recherches sont menées sur les cellules pérovskites, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour explorer ses possibilités pour les VPI et développer des produits pouvant être utilisés pour alimenter l'Internet des objets.

Capteurs photo

Les photocapteurs sont des capteurs de lumière ou d'autres rayonnements électromagnétiques . Un photodétecteur a une jonction p-n qui convertit les photons lumineux en courant. Les photons absorbés forment des paires électron-trou dans la région d'appauvrissement . Les photodiodes et les phototransistors sont quelques exemples de photodétecteurs. Les cellules solaires convertissent une partie de l'énergie lumineuse absorbée en énergie électrique.

Technologie expérimentale

Un certain nombre de modules solaires peuvent également être montés verticalement les uns au-dessus des autres dans une tour, si la distance zénithale du Soleil est supérieure à zéro, et la tour peut être tournée horizontalement dans son ensemble et chaque module en plus autour d'un axe horizontal. Dans une telle tour, les modules peuvent suivre exactement le Soleil. Un tel dispositif peut être décrit comme une échelle montée sur un disque rotatif. Chaque marche de cette échelle est l'axe médian d'un panneau solaire rectangulaire. Dans le cas où la distance zénithale du Soleil atteint zéro, "l'échelle" peut être tournée vers le nord ou le sud pour éviter qu'un module solaire ne produise une ombre sur un module inférieur. Au lieu d'une tour exactement verticale, on peut choisir une tour avec un axe dirigé vers l' étoile polaire , c'est-à-dire parallèle à l'axe de rotation de la Terre . Dans ce cas, l'angle entre l'axe et le Soleil est toujours supérieur à 66 degrés. Pendant une journée il suffit de tourner les panneaux autour de cet axe pour suivre le Soleil. Les installations peuvent être au sol (et parfois intégrées à l'agriculture et au pâturage) ou encastrées dans le toit ou les murs d'un bâtiment ( photovoltaïque intégré au bâtiment ).

Efficacité

Meilleures efficacités des cellules de recherche

Le type de cellule solaire le plus efficace à ce jour est une cellule solaire à concentrateur multi-jonctions avec un rendement de 46,0 % produite par Fraunhofer ISE en décembre 2014. Les rendements les plus élevés atteints sans concentration comprennent un matériau de Sharp Corporation à 35,8 % utilisant un triple -la technologie de fabrication par jonction en 2009, et Boeing Spectrolab (40,7 % utilisant également une conception à trois couches).

Il y a un effort continu pour augmenter l'efficacité de conversion des cellules et modules PV, principalement pour un avantage concurrentiel. Afin d'augmenter l'efficacité des cellules solaires, il est important de choisir un matériau semi-conducteur avec une bande interdite appropriée qui correspond au spectre solaire. Cela améliorera les propriétés électriques et optiques. L'amélioration de la méthode de collecte des charges est également utile pour augmenter l'efficacité. Plusieurs groupes de matériaux sont en cours de développement. Les dispositifs à très haut rendement (η>30%) sont fabriqués en utilisant des semi-conducteurs GaAs et GaInP2 avec des cellules tandem multijonctions. Des matériaux en silicium monocristallin de haute qualité sont utilisés pour obtenir des cellules à haut rendement et à faible coût (η>20%).

Les développements récents dans les cellules photovoltaïques organiques (OPV) ont fait des progrès significatifs dans l'efficacité de conversion de puissance de 3% à plus de 15% depuis leur introduction dans les années 1980. À ce jour, l'efficacité de conversion de puissance la plus élevée signalée varie de 6,7 % à 8,94 % pour les petites molécules, de 8,4 % à 10,6 % pour les VPO polymères et de 7 % à 21 % pour les VPO pérovskites. Les OPV devraient jouer un rôle majeur sur le marché du photovoltaïque. Des améliorations récentes ont augmenté l'efficacité et réduit les coûts, tout en restant respectueux de l'environnement et renouvelables.

Plusieurs entreprises ont commencé à intégrer des optimiseurs de puissance dans des modules photovoltaïques appelés modules intelligents . Ces modules effectuent un suivi du point de puissance maximale (MPPT) pour chaque module individuellement, mesurent les données de performance pour la surveillance et fournissent des fonctions de sécurité supplémentaires. De tels modules peuvent également compenser les effets d'ombrage, dans lesquels une ombre tombant sur une section d'un module provoque la diminution de la sortie électrique d'une ou plusieurs chaînes de cellules dans le module.

L'une des principales causes de la diminution des performances des cellules est la surchauffe. L'efficacité d'une cellule solaire diminue d'environ 0,5% pour chaque augmentation de température de 1 degré Celsius. Cela signifie qu'une augmentation de 100 degrés de la température de surface pourrait diminuer l'efficacité d'une cellule solaire d'environ la moitié. Les cellules solaires auto-refroidissantes sont une solution à ce problème. Plutôt que d'utiliser de l'énergie pour refroidir la surface, des formes pyramidales et coniques peuvent être formées à partir de silice et fixées à la surface d'un panneau solaire. Cela permet à la lumière visible d'atteindre les cellules solaires , mais réfléchit les rayons infrarouges (qui transportent la chaleur).

Avantages

Les 122  PW de lumière solaire atteignant la surface de la Terre sont abondants, presque 10 000 fois plus que l'équivalent de 13 TW de puissance moyenne consommée en 2005 par les humains. Cette abondance laisse penser qu'il ne faudra pas longtemps avant que l'énergie solaire devienne la principale source d'énergie du monde. De plus, la production d'électricité solaire a la densité de puissance la plus élevée (moyenne mondiale de 170 W/m 2 ) parmi les énergies renouvelables.

L'énergie solaire est non polluante lors de son utilisation, ce qui lui permet de réduire la pollution lorsqu'elle se substitue à d'autres sources d'énergie. Par exemple, le MIT a estimé que 52 000 personnes par an meurent prématurément aux États-Unis de la pollution des centrales électriques au charbon et que tous ces décès, sauf un, pourraient être évités en utilisant le PV pour remplacer le charbon. Les déchets finaux et les émissions de production sont gérables à l'aide des contrôles de pollution existants. Des technologies de recyclage en fin d'utilisation sont en cours de développement et des politiques sont élaborées pour encourager le recyclage par les producteurs.

Les installations photovoltaïques pourraient idéalement fonctionner pendant 100 ans ou même plus avec peu d'entretien ou d'intervention après leur installation initiale, donc après le coût d'investissement initial de la construction d'une centrale solaire, les coûts d'exploitation sont extrêmement faibles par rapport aux technologies électriques existantes.

L'électricité solaire connectée au réseau peut être utilisée localement, réduisant ainsi les pertes de transmission/distribution (les pertes de transmission aux États-Unis étaient d'environ 7,2 % en 1995).

Par rapport aux sources d'énergie fossile et nucléaire, très peu d'argent de recherche a été investi dans le développement de cellules solaires, il y a donc une marge d'amélioration considérable. Néanmoins, les cellules solaires expérimentales à haut rendement ont déjà des rendements de plus de 40 % dans le cas des cellules photovoltaïques à concentration et les rendements augmentent rapidement tandis que les coûts de production en série diminuent rapidement.

Dans certains États des États-Unis, une grande partie de l'investissement dans un système domestique peut être perdue si le propriétaire déménage et que l'acheteur accorde moins de valeur au système que le vendeur. La ville de Berkeley a développé une méthode de financement innovante pour supprimer cette limitation, en ajoutant une cotisation fiscale qui est transférée avec la maison pour payer les panneaux solaires. Désormais connue sous le nom de PACE , Property Assessed Clean Energy, 30 États américains ont dupliqué cette solution.

Il existe des preuves, du moins en Californie, que la présence d'un système solaire domestique peut en fait augmenter la valeur d'une maison. Selon un article publié en avril 2011 par le Laboratoire national Ernest Orlando Lawrence Berkeley intitulé An Analysis of the Effects of Residential Photovoltaic Energy Systems on Home Sales Prices in California :

La recherche trouve des preuves solides que les maisons avec des systèmes photovoltaïques en Californie se sont vendues à un prix plus élevé que des maisons comparables sans systèmes photovoltaïques. Plus précisément, les estimations des primes PV moyennes vont d'environ 3,9 $ à 6,4 $ par watt installé (CC) parmi un grand nombre de spécifications de modèles différents, la plupart des modèles fusionnant près de 5,5 $/watt. Cette valeur correspond à une prime d'environ 17 000 $ pour un système PV relativement nouveau de 3 100 watts (la taille moyenne des systèmes PV de l'étude).

Désavantages

  • Pollution et énergie dans la production

Le PV est une méthode bien connue pour produire de l'électricité propre et sans émissions. Les systèmes PV sont souvent constitués de modules PV et d'onduleurs (changement de courant continu en courant alternatif). Les modules PV sont principalement constitués de cellules PV, ce qui n'a pas de différence fondamentale avec le matériau utilisé pour fabriquer des puces informatiques. Le processus de production de cellules photovoltaïques est énergivore et implique des produits chimiques hautement toxiques et toxiques pour l'environnement. Il existe quelques usines de fabrication de panneaux photovoltaïques dans le monde produisant des modules photovoltaïques avec de l'énergie produite à partir du photovoltaïque. Cette mesure compensatoire réduit considérablement l'empreinte carbone du processus de fabrication des cellules photovoltaïques. La gestion des produits chimiques utilisés et produits au cours du processus de fabrication est soumise aux lois et réglementations locales des usines.

  • Impact sur le réseau électrique
Les réseaux à forte pénétration des sources d'énergie renouvelables ont généralement besoin d'une production plus flexible plutôt que d'une production en base

Pour les systèmes photovoltaïques de toit derrière le compteur, le flux d'énergie devient bidirectionnel. Lorsqu'il y a plus de production locale que de consommation, l'électricité est exportée vers le réseau, ce qui permet un comptage net . Cependant, les réseaux électriques ne sont traditionnellement pas conçus pour gérer le transfert d'énergie dans les deux sens, ce qui peut introduire des problèmes techniques. Un problème de surtension peut survenir lorsque l'électricité de ces foyers photovoltaïques revient vers le réseau. Il existe des solutions pour gérer le problème de surtension, telles que la régulation du facteur de puissance de l'onduleur photovoltaïque, de nouveaux équipements de contrôle de la tension et de l'énergie au niveau du distributeur d'électricité, le re-conducteur des fils électriques, la gestion de la demande, etc. Il existe souvent des limitations et des coûts liés à ces solutions.

Une production élevée au milieu de la journée réduit la demande nette de production, mais une demande nette de pointe plus élevée au fur et à mesure que le soleil se couche peut nécessiter une montée en puissance rapide des centrales électriques, produisant un profil de charge appelé courbe de canard .

  • Implications pour la gestion de la facture d'électricité et l'investissement énergétique

Il n'y a pas de solution miracle dans la gestion de la demande et des factures d'électricité ou d'énergie, car les clients (sites) ont des situations spécifiques différentes, par exemple des besoins de confort/commodité différents, des tarifs d'électricité différents ou des modes d'utilisation différents. Le tarif de l'électricité peut comporter quelques éléments, tels que les frais d'accès et de comptage quotidiens, les frais d'énergie (basés sur les kWh, MWh) ou les frais de pointe (par exemple, un prix pour la consommation d'énergie de 30 minutes la plus élevée en un mois). Le PV est une option prometteuse pour réduire les charges énergétiques lorsque les prix de l'électricité sont raisonnablement élevés et en constante augmentation, comme en Australie et en Allemagne. Cependant, pour les sites avec des frais de demande de pointe en place, le PV peut être moins attrayant si les demandes de pointe se produisent principalement en fin d'après-midi ou en début de soirée, par exemple dans les communautés résidentielles. Dans l'ensemble, l'investissement énergétique est en grande partie une décision économique et il est préférable de prendre des décisions d'investissement basées sur une évaluation systématique des options d'amélioration opérationnelle, d'efficacité énergétique, de production sur site et de stockage d'énergie.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires