L'énergie solaire photovoltaïque

Erik Johnson, Daniel Suchet

Description

À chaque instant, la puissance solaire qui arrive sur la Terre représente plusieurs milliers de fois la consommation énergétique de l’humanité. L’effet photovoltaïque, qui convertit la lumière en électricité, permet de tirer parti de cette manne énergétique – un enjeu particulièrement important alors que nous touchons aux limites du système des énergies fossiles hérité des révolutions industrielles. En quelques années, les panneaux solaires ont connu une progression spectaculaire.Bien que l’énergie photovoltaïque soit décarbonée, son développement soulève cependant de nombreuses questions, sur le fonctionnement et la fabrication des dispositifs comme sur leur installation et leur utilisation.Ce livre propose un tour d’horizon de l’énergie solaire photovoltaïque, de son histoire, de sa dynamique et de ses perspectives. En s’appuyant sur des considérations physiques fondamentales, il établit les principaux ordres de grandeur et les principes de fonctionnement communs à toutes les cellules solaires. Il expose ensuite les différentes technologies actuellement disponibles sur le marché. Il aborde enfin les coûts, économiques et écologiques, du photovoltaïque.Ce livre s’adresse à un large public désireux de se faire une idée précise et documentée sur un volet essentiel de notre réponse aux défis climatiques et énergétiques du XXIe siècle.

Preface III

Introduction 1

1 Une histoire technique du photovoltaïque 5

1.1 Les trois naissances de l’effet photovoltaïque . . . . . . . . . . . . 6

1.2 Le photovoltaïque prend son envol . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.3 Le silicium explose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.4 Le photovoltaïque dans le monde aujourd’hui . . . . . . . . . . . 15

Partie 1 De la lumière à la cellule solaire 21

2 La ressource solaire 23

2.1 Le rayonnement du corps noir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2 Le rayonnement solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.3 Du sommet de l’atmosphère à la surface terrestre . . . . . . . . . . 26

2.4 Ordres de grandeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3 Limites thermodynamiques de la conversion photovoltaïque 35

3.1 Transformer la chaleur solaire en électricité : la machine de Müzer et ses limites . .. .. . . 36

3.2 La voie du solaire thermodynamique : concentrer la lumière . . . 38

3.3 La voie du photovoltaïque : introduire un gap . . . . . . . . . . . 39

4 Des concepts aux dispositifs : comment réaliser les fonctions nécessaires à la conversion photovoltaïque 53

4.1 Absorption optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.2 Durée de vie des porteurs de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.3 Transport des porteurs de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.4 Extraction sélective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Partie 2 Du matériau au dispositif 63

5 Bon transport électronique et coût raisonnable, mais faible absorption

optique : les cellules en silicium cristallin 67

5.1 De la silice au polysilicium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.2 Du polysilicium au lingot de silicium . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.3 Du lingot au wafer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.4 Du wafer à la jonction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.5 De la jonction à la cellule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

5.6 De la cellule au module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

6 Bonne absorptivité, mauvais transport, faible coût : les cellules en

couches minces, organiques, amorphes, pérovskites 83

6.1 Fabrication des couches minces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

6.2 Architecture d’une cellule en couche mince . . . . . . . . . . . . . 87

7 Excellente absorption optique, excellent transport électronique, coût

élevé : les cellules épitaxiées 93

7.1 L’épitaxie et les techniques de croissance épitaxiale . . . . . . . . . 95

7.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Partie 3 Du laboratoire à l’industrie 101

8 La vie d’un panneau photovoltaïque 103

8.1 Production en conditions réelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

8.2 Dégradation d’un panneau photovoltaïque . . . . . . . . . . . . . 106

8.3 Fin devie et recyclage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

8.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

9 Coûts économiques et écologiques du photovoltaïque 117

9.1 Coûts économiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

9.2 Coût énergétique et coût carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

9.3 Coûts en matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

10 Défis et perspectives 131

10.1 Développer une industrie solaire à l’échelle du terawatt . . . . . . 131

10.2 Augmenter l’efficacité de conversion au-delà de la limite de Shockley-Queisser . . . . . . . . . . . 133

10.3 Imaginer denouvelles applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

10.4 Intégrer la production au réseau électrique . . . . . . . . . . . . . 142

Conclusion 147

Index 150

Sponsors 153

Sujets

• Sciences et techniques
• Environment
• Physics
• Science
• Environnement

Informations

• Publié par: EDP Sciences
• Date de parution: 22 juin 2023
• Nombre de lectures: 21
• EAN13: 9782759829248
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 98 Mo

Extrait

9 782759 829231

L’ÉNERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE

Daniel Suchet et Erik Johnson Préface d’Yves Bréchet, ancien Hautcommissaire à l’énergie atomique

Daniel Suchet et Erik Johnson L’ÉNERGIE SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE

À chaque înstant, la puîssance solaîre quî arrîve sur la Terre représente plusîeurs mîllîers de foîs la consommatîon énergétîque de l’humanîté. L’effet photovoltaque, quî convertît la lumîère en électrîcîté, permet de tîrer partî de cette manne énergétîque – un enjeu partîculîèrement împortant alors que nous touchons aux lîmîtes du système des énergîes fossîles hérîté des révolutîons îndustrîelles. En quelques années, les panneaux solaîres ont connu une progressîon spectaculaîre. Bîen que l’énergîe photovoltaque soît décarbonée, son développement soulève cependant de nombreuses questîons, sur le fonctîonnement et la fabrîcatîon des dîsposîtîfs comme sur leur înstallatîon et leur utîlîsatîon.

Ce lîvre propose un tour d’horîzon de l’énergîe solaîre photovoltaque, de son hîstoîre, de sa dynamîque et de ses perspectîves. En s’appuyant sur des consîdératîons physîques fondamentales, îl établît les prîncîpaux ordres de grandeur et les prîncîpes de fonctîonnement communs à toutes les cellules solaîres. Il expose ensuîte les dîfférentes technologîes actuellement dîsponîbles sur le marché. Il aborde enin les coûts, économîques et écologîques, du photovoltaque.

Ce lîvre s’adresse à un large publîc désîreux de se faîre une îdée précîse et documentée sur un e volet essentîel de notre réponse aux déis clîmatîques et énergétîques du XXI sîècle.

Daniel Suchet est enseignant en physique à l’École polytechnique, où il dirige le programme de formation sur l’énergie, et chercheur à l’Institut du Photovoltaïque d’Île de France.

Erik Johnson est directeur de recherche au CNRS (Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches Minces) et donne le cours de Photovoltaïque à l’École polytechnique.

Isbn : 978-2-7598-2923-1

9 782759 829231 Créatîon graphîque : Béatrîce Couëdel

www.edpscîences.org

La collectîon « UNE INTRODUCTION À... » se propose de faîre connaïtre à un large publîc les avancées les plus récentes de la scîence. Les ouvrages sont rédîgés sous une forme sîmple et pédagogîque par les meîlleurs experts françaîs.

Collection « Une introduction à » Dirigée par Michèle Leduc et Michel Le Bellac

L’énergie solaire photovoltaïque

Daniel Suchet et Erik Johnson

EDP Sciences 17, avenue du Hoggar Parc d‘activités de Courtaboeuf, BP 112 91944 Les Ulis Cedex A, France

Dans la même collection

Neutrinos, les messagers de l’invisible François Vannucci L’Univers décrypté par les énigmes Cumrun Vafa, traduit par Michel Le Bellac Atomes, ions, molécules ultrafroids et technologies quantiques Robin Kaiser, Michèle Leduc et Hélène Perrin Un siècle de gravitation Ron Cowen, traduit par Michel Le Bellac Quantique : audelà de l’étrange Philip Ball, traduit par Michel Le Bellac Les planètes et la vie Thérèse Encrenaz, James Lequeux et Fabienne Casoli

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ISBN (papier): 9782759829231 –ISBN (ebook): 9782759829248

©2023, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de Cour tabœuf, 91944 Les Ulis Cedex A

Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procé dés réservés pour tous pays. Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l’éditeur est illicite et constitue une contrefa çon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective, et d’autre part, les courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d’information de l’œuvre dans laquelle elles sont incorporées (art. L. 1224, L. 1225 et L. 3352 du Code de la propriété intellectuelle). Des photocopies payantes peuvent être réalisées avec l’accord de l’éditeur. S’adresser au : Centre français d’exploitation du droit de copie, 3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tél. : [phone].

Préface

Yves Bréchet, Membre de l’Académie des Sciences, ancien HautCommissaire à l’Énergie atomique, Directeur scientifique de Saint Gobain Dans le domaine vital pour notre vie quotidienne et pour notre économie que constitue l’énergie, les pires ennemis d’un politique rationnelle ont deux costumes : celui des marchands de peur et celui des marchands de rêve. Chacun dans son rôle contribuent à enliser le nécessaire débat public dans des questions stériles. Ce livre sur le photovoltaïque, en plus d’être un excellent ouvrage scienti fique, contribue à clarifier la question en spécifiant ce que l’on sait, ce que l’on peut espérer et ce qui hors d’atteinte. Écrit dans un langage accessible, sans jamais sacrifier la précision à la clarté, il s’adresse non seulement aux scienti fiques et aux ingénieurs, mais aussi à tout citoyen souhaitant prendre le temps de mieux comprendre un développement majeur des dernières décennies, le photovoltaïque. La mise en perspective historique est particulièrement bienvenue dans un monde où on laisse accroire que les miracles prolifèrent pour peu qu’un gouver nement les décrète. On y voit la progression, lente d’abord, puis accélérée, d’un champ disciplinaire qui a commencé comme souvent, par un questionnement fondamental. La partie qui énonce les limites fondamentales des dispositifs, par tant de la ressource solaire, passant par les limites thermodynamiques, et se ter minant sur les fonctions demandées aux dispositifs, est un modèle de clarté et de pédagogie. La seconde partie va du matériau à la cellule. Au contraire de nombre d’ou vrages qui relèvent plus du placard publicitaire que de l’approche scientifique, le compromis entre absorptivité optique, transport électronique et coût donne une

grille de lecture très saine des différentes familles de solutions envisageables. Elle permet une analyse de cout/performance qui pourrait, par exemple, consti tuer un guide de pertinence en termes de marchés accessibles suivant les spécifi cités des filières technologiques, une sorte de « front de Pareto » comme « guide de recherche ». La troisième partie va de la cellule au système, elle va pour ainsi dire du laboratoire à l’industrie. Il est rare dans un ouvrage de cette tenue scientifique de voir les auteurs se « salir les mains » avec des questions aussi ancillaires que la vie des panneau photovoltaïques (on aurait aimé y trouver aussi quelques lignes sur les problèmes d’entretien. . . notamment visàvis des salissures et poussières inévitables) ou les aspects économiques (la question des procédés de fabrication, très bien traités du point de vue technique, pourrait être complétée de quelques données en terme d’OPEX et de CAPEX). Le dernier chapitre donne un peu à rêver, ce qui n’est pas interdit au cher cheur aussi longtemps qu’il cherche à faire partager son rêve et qu’il ne cherche pas à le survendre. Les questions scientifiques y sont très clairement définies, les nouvelles applications sont évoquées peutêtre un peu trop rapidement. La ques tion majeure pour le déploiement du photovoltaïque est autant celle du stockage que celle de la production, et l’intégration difficile au réseau suppose clarifiée la question plus difficile encore de savoir dans nos sociétés la part de l’énergie qui doit relever de l’électricité, et dans cette part, celle qui doit nécessairement pas ser par un réseau et celle qui peut être locale, avec comme corollaire la qualité de fourniture d’électricité que nous sommes prêts à accepter et à quel coût. Ces questions essentielles sont introduites ici, même si elles dépassent le cadre de cet ouvrage. C’est par de telles contributions qu’on peut espérer que revienne dans le processus de décision la rationalité qui n’aurait jamais dû la quitter. Reste enfin, une fois cette analyse faite, à suivre le précepte de Clémenceau « Savoir ce qu’on veut ; quand on le sait, avoir le courage de le dire ; quand on l’a dit, avoir le courage de le faire ». Ce qui suppose de prendre les décisions politiques et industrielles qui s’imposent, en termes de développement d’une filière industrielle, et les actions au niveau international, en termes de protection du marché, qui les rendront réalistes.

IV

SousseysurBrionne, 28 décembre 2022

Préface

1

Preface

Introduction

Table des matières

Une histoire technique du photovoltaïque 1.1Les trois naissances de l’effet photovoltaïque . . . . . . . . . . . . 1.2Le photovoltaïque prend son envol . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Le silicium explose 1.4. . . . . . . . . . .Le photovoltaïque dans le monde aujourd’hui

Partie 1 De la lumière à la cellule solaire

2

3

4

La ressource solaire 2.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Le rayonnement du corps noir . 2.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Le rayonnement solaire . 2.3. . . . . . . . .Du sommet de l’atmosphère à la surface terrestre . 2.4Ordres de grandeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Limites thermodynamiques de la conversion photovoltaïque 3.1Transformer la chaleur solaire en électricité : la machine de Müzer et ses limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2La voie du solaire thermodynamique : concentrer la lumière . . . 3.3. . . . . . . . . . .La voie du photovoltaïque : introduire un gap

Des concepts aux dispositifs : comment réaliser les fonctions nécessaires à la conversion photovoltaïque 4.1Absorption optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2Durée de vie des porteurs de charge . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . .Transport des porteurs de charge 4.4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Extraction sélective

Partie 2 Du matériau au dispositif

III

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5 6 10 12 15

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53 53 56 58 60

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Bon transport électronique et coût raisonnable, mais faible absorption optique : les cellules en silicium cristallin67 5.169De la silice au polysilicium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.270. . . . . . . . . . . . . . . . Du polysilicium au lingot de silicium . 5.372. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Du lingot au wafer 5.473Du wafer à la jonction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.576De la jonction à la cellule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.679De la cellule au module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Bonne absorptivité, mauvais transport, faible coût : les cellules en couches minces, organiques, amorphes, pérovskites83 6.185. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fabrication des couches minces 6.287. . . . . . . . . . . . . Architecture d’une cellule en couche mince

Excellente absorption optique, excellent transport électronique, coût élevé : les cellules épitaxiées93 7.1L’épitaxie et les techniques de croissance épitaxiale . . . . . . . . . 95 7.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusion . . 99

Partie 3 Du laboratoire à l’industrie

8 La vie d’un panneau photovoltaïque 8.1Production en conditions réelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2Dégradation d’un panneau photovoltaïque . . . . . . . . . . . . . 8.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Fin de vie et recyclage 8.4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Conclusion . . . . . 9 Coûts économiques et écologiques du photovoltaïque 9.1Coûts économiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2Coût énergétique et coût carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3Coûts en matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Défis et perspectives 10.1. . . . . .Développer une industrie solaire à l’échelle du terawatt 10.2Augmenter l’efficacité de conversion audelà de la limite de ShockleyQueisser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3. . . . . . . . . . . . . . . . . .Imaginer de nouvelles applications 10.4Intégrer la production au réseau électrique . . . . . . . . . . . . . Conclusion Index Sponsors

VI

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103 103 106 111 114 117 119 123 126 131 131

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Table des matières

Introduction

L’énergie solaire arrivant sur Terre constitue une ressource dix mille fois supé rieure aux besoins de l’Humanité. Réussir à tirer le meilleur parti de cette manne énergétique représente un enjeu essentiel pour assurer un approvision nement durable à nos sociétés. Pour y parvenir, l’effet photovoltaïque, qui per met la conversion directe de la lumière du Soleil en électricité, est un outil indispensable. Emblème de la transition énergétique, les panneaux photovoltaïques ont connu des développements spectaculaires en l’espace de quelques décennies. Ils font aujourd’hui l’objet d’un débat intense, et parfois houleux. L’augmenta tion rapide des rendements, la chute des coûts et la diversification des applica tions laissent entrevoir à certains un avenir radieux pour le photovoltaïque. La consommation de matières premières, la dilution de la ressource solaire et l’in termittence de la production font penser à d’autres que le photovoltaïque restera marginal. Si le débat est aussi complexe, c’est peutêtre parce que le solaire photovol taïque est au croisement de plusieurs mondes mais n’appartient à aucun. La conversion de l’énergie solaire en électricité est une question de thermodyna mique, le principe de fonctionnement des dispositifs repose sur la physique des matériaux semiconducteurs, leur fabrication tient largement de la chimie inor ganique et leur opération en conditions réelles tient plutôt de l’ingénierie élec trique. La science du photovoltaïque fait se rencontrer la recherche académique la plus fondamentale et les développements industriels les plus appliqués. Nos activités de recherche, d’enseignement et de vulgarisation sur l’énergie en général, et sur le solaire photovoltaïque en particulier, nous ont convain cus de l’importance d’aborder ce débat en combinant ces différents éclairages,

plutôt que de garder les perspectives séparées. Nous pensons que cette vue d’en semble est nécessaire pour appréhender les problématiques scientifiques, tech niques et industrielles, et envisager le rôle du solaire photovoltaïque dans notre futur énergétique. Nous pensons enfin qu’il est possible d’éclairer ces questions complexes avec des explications simples, sans formalisme mathématique, mais sans dénaturer les lois physiques sousjacentes. L’ambition de ce livre est de donner les clés pour identifier et comprendre les dynamiques, l’état actuel et les perspectives du domaine. Son originalité est de montrer, sans formalisme mathématique, comment des principes physiques de base conditionnent les techniques de fabrication, l’efficacité, l’architecture et le fonctionnement des panneaux solaires. Pourquoi les rendements de conversion des dispositifs commerciaux sontils autour de 20 %, et pas beaucoup plus, ou beaucoup moins ? Pourquoi les cellules sontelles constituées de tels matériaux plutôt que de tels autres ? Pourquoi inclure telle ou telle couche dans la fabrica tion d’une cellule ? Quel est l’effet de la chaleur sur l’efficacité, ou la durée de vie, des panneaux solaires ? Cette approche, inspirée par nos enseignements à l’École polytechnique et à Mines Paris PSL, met en lumière les points communs partagés par toutes les technologies solaires malgré leurs apparentes différences, tout en expliquant leurs spécificités. Elle permet de comprendre les ordres de grandeur et les lois d’échelle du secteur, en explicitant ce qui relève de l’état de l’art, et ce qui tient des limites fondamentales. Le livre s’attachera également à donner les estima tions les plus récentes des coûts économiques et écologiques du photovoltaïque. Audelà des valeurs chiffrées, ce sera l’occasion d’expliciter les différents péri mètres habituellement considérés pour calculer ces coûts, en discutant de leur pertinence et de leurs limites. Ce livre vise un lectorat doté d’une culture scientifique, mais sans connais sance particulière dans les sujets traités (enseignants de lycée, étudiants de pre mier cycle universitaire). Il peut intéresser également des lecteurs attirés par la science de la conversion d’énergie, qui trouveront ici des applications pratiques, et des lecteurs curieux de la transition énergétique, qui ancreront leur vision dans des considérations fondamentales. Il est également susceptible d’intéresser des étudiants en cours de spécialisation (master, doctorat), en offrant un pano rama transverse dépassant les spécificités de chaque technologie.

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Introduction