Rayonnement solaire et photovoltaïque

Rayonnement solaire et photovoltaïque
Le rayonnement solaire est l'ensemble du rayonnement émis par le Soleil. En plus des
rayons cosmiques, particules animées d'une vitesse et d'une énergie extrêmement élevées, le
Soleil émet des ondes électromagnétiques dont le spectre s'étend des ondes radio aux rayons
gamma, en passant par la lumière visible.
L’émission d'ondes électromagnétiques par le Soleil est bien modélisée par un corps noir à
5800 Kelvin, donc par la loi de Planck. Le pic d’émission est dans le jaune (λ=570 nm), et la
répartition du rayonnement est à peu près pour moitié dans la lumière visible, pour moitié
dans l'infrarouge, avec 1% d'ultraviolets1.
Arrivé au niveau de la mer, c'est-à-dire ayant traversé toute l'atmosphère terrestre, le
rayonnement solaire a subi plusieurs « filtrations ». On peut repérer notamment sur le spectre
ci-contre les bandes d'absorption de l'ozone (connu pour stopper une bonne partie des
ultraviolets), du dioxygène, du dioxyde de carbone et de l'eau.
Une faible partie du rayonnement solaire parvient jusqu'à la surface de la Terre, des ondes radio
décamétriques aux rayons ultraviolets les plus mous, le reste étant réfléchi ou filtré par l'atmosphère
et l'ionosphère.
La puissance du rayonnement solaire reçu sur Terre est de :
Dans l'espace, au dessus de l'atmosphère
Puissance reçue en Watts
par m2
1 400 W/m2
Sous un fort soleil vertical, à midi, ciel dégagé, temps sec
950 W/m2
Moyenne annuelle en Europe
200 W/m2
Fraction pouvant être convertie en électricité (moyenne
annuelle en Europe)
< 100 W/m2
Rayonnement solaire et son utilisation
Les technologies du photovoltaïque
Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière, génère
de l’électricité.
La plupart du temps, les cellules sont regroupées dans des modules ou panneaux
photovoltaïques.
Il existe plusieurs familles de cellules photovoltaïques. Actuellement, les plus répandues sur
le marché sont les cellules en silicium cristallin et les cellules en couches minces. D’autres en
sont au stade de la Recherche et Développement.
Fonctionnement d’une cellule
Le fonctionnement est similaire à l’effet photoélectrique. Il demande un rayonnement moins
énergétique. Il fonctionne bien avec le rayonnement solaire même diffus sous une couche de
nuages. Le matériau d’une cellule est un semi conducteur. Il est composé de deux couches.
Les photons libèrent un électron dans la première couche et un trou chargé positivement dans
la deuxième couche. Les charges ainsi crées sont canalisées pour fournir un courant
électrique.
Les cellules en silicium cristallin
Ce type de cellules est constitué de fines plaques de silicium, un élément chimique très
abondant et qui s’extrait notamment du sable ou du quartz. Le silicium est obtenu à partir
d’un seul cristal ou de plusieurs cristaux: on parle alors de cellules monocristallines ou
multicristallines. Les cellules en silicium cristallin sont d’un bon rendement (de 14 à 15%
pour le multicristallin et de près de 16 à 19% pour le monocristallin).
Elles représentent plus de 90% du marché actuel.
Cellule en silicium cristallin
Les cellules en couches minces
Les cellules en couches minces sont fabriquées en déposant une ou plusieurs couches
semi‐conductrices sur un support de verre, de plastique, d’acier Cette technologie permet de
diminuer de coût de fabrication mais son rendement est inférieur à celui des cellules au
silicium cristallin (il est de l’ordre de 5 à 13%)
Les cellules en couches minces les plus répandues sont en silicium amorphe, composées de
silicium projeté sur un matériel souple.
La technologie des cellules en couches minces connaît actuellement un fort développement,
sa part de marché étant passée de 2% il y a quelques années à plus de 10% aujourd’hui.
Cellules en couches minces
Cellule photovoltaïque tandem
Empilement monolithique de deux cellules simples. En combinant deux cellules (couche
mince de silicium amorphe sur silicium cristallin par exemple) absorbant dans des domaines
spectraux se chevauchant, on améliore le rendement théorique par rapport à des cellules
simples distinctes, qu'elles soient amorphes, cristallines ou microcristallines.
Avantage :
o sensibilité élevée sur une large plage de longueur d'onde. Excellent rendement.
Inconvénient :
o coût élevé dû à la superposition de deux cellules.
Les autres types de cellules
Les cellules à concentration: elles sont placées au sein d’un foyer optique qui concentre la
lumière Leur rendement est élevé ‘de l’ordre de 20 à 30%) mais elles doivent absolument
être placées sur un support mobile afin d’être constamment positionnées face au soleil.
Les cellules organiques : composées de semi‐conducteurs organiques déposés sur un
substrat plastique ou de verre , ces cellules encore au stade expérimental offrent un
rendement moyennement élevé ‘de l’ordre de 5 à 10%) mais présentent des perspectives
intéressantes de réduction des coûts.
Les cellules multicouches : Ces cellules photovoltaïques sont multicouches c’est à dire un
empilement de plusieurs cellules photovoltaïques convertissant différentes parties du spectre
solaire (la cellule du haut convertit les photons les plus énergétiques, celle du milieu convertit
les photons moyennement énergétiques, tandis que la cellule du bas convertit les grandes
longueurs d'ondes, correspondant aux photons les moins énergétiques). Cette technologie
permet d'optimiser l'absorption du flux solaire par la cellule, et ainsi d'accroître son
rendement de conversion de manière significative.
De plus ces cellules sont à concentration, c'est-à-dire que le flux d’énergie dégagée par la
lumière du soleil est concentré grâce à un effet loupe ce qui améliore considérablement les
capacités de la cellule.
La communauté scientifique s'efforce depuis des décennies de trouver divers
moyens d'accroître l'efficacité des panneaux solaires photovoltaïques dont les
taux de conversion gravitent actuellement entre 15% et 20%.
La compagnie RoseStreet Labs Energy (RSLE)
Elle affirme avoir trouvé une solution qui intègre trois couches distinctes d'absorbtion de
lumière dans une seule cellule solaire en couche mince. Chaque couche est en mesure de
capter une partie différente du spectre du soleil, ce qui porterait le rendement total à un
taux supérieur à 35%.
En effet, un type de semi-conducteur est caractérisé par une longueur d'onde maximale
au-delà de laquelle il est incapable de convertir le photon en énergi e électrique.
RSLE est le premier à utiliser la technologie IBand dans une installation solaire de
démonstration. L'idée était d'intégrer trois couches - chaque couche capturant une partie
différente du spectre. La triple bande en couches minces pourrait propulser les panneaux
solaires à un nouveau stade de développement, et plus encore, si ces derniers étaient
associés à une technologie à concentration.
La société américaine Semprius
Elle est spécialisée dans le photovoltaïque à haute concentration (HCPV) a
annoncé un nouveau record du monde avec un taux de 33,9% - en zone active pour ce qui est du rendement de conversion de son module photovoltaïque.
La société a conçu une cellule multicouches qui se compose de 3 niveaux superposés en
arséniure de gallium de manière à capter et convertir en électricité toutes les
composantes de la lumière du soleil et non seulement la partie visible comme le fait le
silicium cristallin. D'ailleurs le rendement de conversion de ce dernier est en comparaison
de l'ordre de 23%.
Après avoir développé son module avec le soutien du Département américain de l'Énergie
(NREL), Semprius entend maintenant monter en puissance au niveau mondial pour le
déploiement de son système de démonstration. Pou y arriver, la construction d'une usine
pilote à Henderson, en Caroline du Nord est en cours d'achèvement. La production
commerciale de l'usine devrait débuter au cours du second semestre 2012.
Les chercheurs du Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (FhG-ISE), en Allemagne,
ont réalisé leur vœu de Nouvel An plus vite que prévu. Dès janvier, ils battaient un record du
monde dans le secteur des cellules photovoltaïques à jonctions multiples, avec un taux de
conversion de 41,24%. Ils pensent même pouvoir aller plus loin, grâce aux cellules solaires
équipées de structures multi-jonctions métamorphiques. Le Soleil n’a donc pas dit son dernier
mot.
Nous produirons des cellules photovoltaïques avec 50% de rendement avant 2020 »
Si les rendements des panneaux photovoltaïques ont fortement grimpé lors de la dernière
décennie, le passage des 20% a cependant marqué une inflexion dans cette progression.
Heureusement, les laboratoires de recherche regorgent de pistes, et même de solutions, pour
propulser l’efficacité des panneaux photovoltaïques vers des niveaux jusqu’alors
inimaginables. Les explications de Rafael Kleiman et Siva Sivoththaman, deux chercheurs
canadiens en Ontario
Rafael Kleiman est Directeur du laboratoire de recherche avancée sur le
photovoltaïque (LAPR) de l’université Mc Master (Hamilton Ontario)
SivaSivoththaman est Directeur du Centre pour les systèmes photovoltaïques avancés
(CAPDS) de l’université de Waterloo (Ontario)
Comment expliquer ce plafond de rendement des cellules photovoltaïques actuelles ?
Rafael Kleiman : C’est tout simplement une limite physique ! Les cellules actuelles
ne contenant qu’une seule jonction (ndr : zone de contact entre deux couches de
silicon), nous nous heurtons à un plafond théorique de 33,5%, appelé « limite de
Shockley-Queisser ». Plus précisément, une jonction actuelle ne peut tout simplement
pas réagir à la totalité du spectre lumineux dont une grande partie est alors perdue ou
transformée en chaleur. En pratique, la véritable limite est plutôt de 25% car chaque
point supplémentaire coûterait beaucoup trop cher à produire.
Mais pourquoi chercher le rendement ? Qu’en est-il de la stratégie low-cost à bas
rendement ?
Rafael Kleiman : Elle est à mon sens ineffective car elle atteint rapidement ses
limites. En effet, le coût d’une installation ne se résume pas au prix des panneaux, loin
s’en faut. En augmentant la surface de panneaux à installer, on augmente
mécaniquement les coûts de main d’œuvre et de matériel annexe, notamment
l’électronique. La multiplication des accessoires engendre alors une complexité et des
répercussions potentielles sur l’exploitation : maintenance, gestion de la production…
Siva Sivoththaman : Il y a effectivement une nécessité évidente de trouver des
technologies de rupture au niveau des cellules car nous sommes au bout des modèles
actuels. Mais il ne faut pas oublier que la cellule, même si elle en constitue le cœur,
n’est qu’une partie d’un dispositif photovoltaïque. Il y a également de nombreuses
recherches en cours sur les panneaux et l’électronique. Enfin, j’ajouterais à la
contrainte financière rappelée par Rafael, une dimension sécurité et santé. Il nous faut
absolument l’intégrer à nos recherches, surtout lorsque l’on manipule des nanomatériaux.
Quelle technologie incarne aujourd’hui l’avenir du photovoltaïque ?
Rafael Kleiman : A mon avis, la prochaine rupture technologique commercialisée avec
succès sera la cellule multi-jonction. C’est un concept très ancien, puisque Texas Instrument
l’a breveté en 1955 ! Mais nous avons aujourd’hui la possibilité de faire passer cette
technologie à un stade commercial en quelques années. L’idée est assez simple : il s’agit
d’empiler plusieurs jonctions collectant chacune une bande passante différente du spectre
lumineux.
Pour quel niveau de rendement ?
Rafael Kleiman : Avec une cellule multi-jonction, on change véritablement de dimension car
la limite théorique, en y adjoignant un système de concentration, est de 83% ! Pour l’instant,
les meilleurs labos ont déjà atteint 43%. Je suis persuadé que nous pourrons produire des
cellules avec 50% de rendement avant 2020.
Siva Sivoththaman : Effectivement les cellules multi-jonctions sont notre meilleure solution
à moyen terme. Attention cependant à ne pas confondre les records de laboratoire avec
l’arrivée d’un produit fini sur le marché. Il y a un monde entre la réalisation d’une minicellule de 2mm sur 2 et la fabrication d’un panneau commercialement exploitable.
Cellule solaire : le rendement théorique pourrait passer à 44%
L'efficacité des cellules solaires conventionnelles pourrait être sensiblement augmentée,
grâce à de nouvelles recherches menées par le chimiste Xiaoyang Zhu de l'Université du
Texas à Austin, sur les mécanismes de conversion de l'énergie solaire.
Zhu et son équipe ont en effet découvert qu'il était possible de doubler le nombre d'électrons
récupérés à partir d'un seul photon de lumière en utilisant un matériau semi-conducteur
organique en plastique.
"La production de cellules solaires semi-conducteurs en plastique possède de gros avantages,
dont l'un concerne son faible coût", a déclaré le professeur Zhu. "En association avec les
vastes capacités de la conception moléculaire, notre découverte ouvre la porte à une nouvelle
approche passionnante dans la conversion de l'énergie solaire, conduisant à des rendements
beaucoup plus élevés."
Zhu et son équipe ont d'ailleurs publié leur découverte révolutionnaire le 16 décembre dans la
revue Sciences.
L'efficacité théorique maximale des cellules solaires en silicium en usage aujourd'hui est
d'environ 31%, du fait de la proportion trop élevée d'énergie solaire frappant la cellule afin
d'être transformée en électricité. Cette énergie transmise sous forme "d'électrons chauds" est
souvent perdue en chaleur. La capture de ces "électrons chauds" pourraient donc accroître
l'efficacité de la conversion d'énergie solaire en électricité pour atteindre le taux de 66%.
Zhu et son équipe avaient précédemment démontré que ces "électrons chauds" pourraient être
capturés à l'aide de nanocristaux semi-conducteurs. "Pour un élément" a déclaré Zhu, "le taux
d'efficacité de 66% ne peut être atteint que lorsque la lumière du soleil reste fortement
concentrée, et non pas à partir de la lumière du soleil frappant classiquement un panneau
solaire. En conséquence, cela crée des problèmes d'ingénierie lors de la conception d'un
nouveau matériau ou dispositif."
Pour contourner ce problème, Zhu et son équipe ont trouvé une alternative. Ils ont découvert
qu'un photon produit un état quantique noir, à partir duquel deux électrons peuvent être
capturés efficacement pour générer plus d'énergie dans les semi-conducteurs en pentacène.
L'absorption d'un photon dans un semiconducteur organique créé une paire d'électron-trou
appelée "exciton".
Le chimiste a précisé que l'exploitation de ce mécanisme pourrait augmenter l'efficacité
théorique maximum des cellules solaires de 44% sans avoir à focaliser un faisceau solaire, ce
qui encouragerait une utilisation plus répandue de la technologie solaire.
Vers le photovoltaïque "tout plastique" ?
processusDes chercheurs du laboratoire de Chimie
des Polymères Organiques* en collaboration avec le
laboratoire de l'Intégration du Matériau au
Système**, viennent de mettre au point un additif
permettant d'améliorer le rendement des cellules
solaires organiques tout en simplifiant le procédé de
fabrication.
Un pas important vers la fabrication de cellules
photovoltaïques plastiques souples obtenues sans
traitement
thermique
excessif.
Les cellules photovoltaïques organiques sont une
alternative aux cellules classiques à base de
silicium. Elles présentent l'avantage de nécessiter
des de fabrication plus doux, à partir, par exemple, de véritables encres électroniques, ce qui permet
ainsi d'envisager des cellules solaires sur toutes sortes de supports comme, par exemple, des supports
flexibles.
La couche active de ce genre de cellule est toujours constituée d'un mélange de deux matériaux : un
matériau donneur d'électrons comme le poly (3-hexylthiophène) (P3HT), et un matériau accepteur, par
exemple un dérivé du fullerène (forme allotropique du carbone comme le graphite qui constitue les
mines de crayon à papier). De telles cellules permettent d'obtenir des rendements supérieurs à 3%,
mais seulement après une étape de recuit thermique à des températures supérieures à 120°C. Une
application sursubstrat plastique (flexible) rend donc difficile ce genre de traitement thermique et
limite ainsi les rendements photovoltaïques de ce système.
Parmi les défis que se sont fixés les chercheurs pour améliorer les rendements de ces cellules solaires
organiques : l'optimisation de la morphologie du mélange dans la couche active dès l'étape de dépôt.
Ils viennent ainsi de mettre au point un additif, véritable agent nano-structurant du mélange, par une
méthode de synthèse propre et facile à mettre en œuvre à l'échelle industrielle (travail réalisé en
partenariat avec la société Arkema). Il s'agit d'uncopolymère à blocs, le poly (3-hexylthiophene-bloc4-vinylpyridine) (P3HT-b-P4VP), comportant deux séquences ayant chacune une affinité
préférentielle pour un des deux composants du mélange (à savoir le P3HT et le dérivé du fullerène, le
PCBM, respectivement). Lorsqu'une petite quantité de ce copolymère, entre 1% et 10% en masse, est
ajoutée au mélange de la couche active, une augmentation significative du rendement de conversion
photovoltaïque est observée par rapport au mélange initial. Sur le graphe ci-dessous on peut noter une
évolution du rendement photovoltaïque de 2,75% jusqu'à presque 4,5% en présence du copolymère,
après recuit de la cellule (courbe en pointillé).
Evolution de l'efficacité de conversion en puissance en fonction du taux de copolymère ajouté pour
des cellules solaires organiques (système P3HT/PCBM) obtenues avec ou sans recuit thermique.
Le résultat le plus frappant concerne les cellules obtenues sans aucun recuit, étape toujours délicate
dans le cas de dépôt sur des polymères qui supportent souvent mal les hautes températures. L'ajout du
copolymère permet d'obtenir directement un rendement supérieur à 3%, supérieur à celui de la cellule
sans copolymère après traitement thermique. Les analyses morphologiques et spectroscopiques
réalisées mettent en évidence le rôle du caractère structurant de cet additif copolymère dans ces
propriétés nouvelles.
Les résultats de cette étude permettent d'envisager l'élaboration de cellules solaires organiques sur
substrat flexible grande surface, mettant en œuvre des procédés de fabrications rapides, sans traitement
thermique, tout en préservant, voire en améliorant leur efficacité.
Les résultats de recherche ci-dessus montrent qu’il est possible d’augmenter le rendement des
cellules photovoltaïques ce qui devrait permettre de réduire la surface des capteurs donc de
réduire le coût.
Utilisation des cellules photovoltaïques
Les cellules photovoltaïques sont parfois utilisées seules (éclairage de jardin, calculatrice, ...)
ou bien regroupées sur des panneaux solaires photovoltaïques.
Elles sont très utilisées en remplacement des piles (dont l'énergie est de loin la plus chère pour
l'utilisateur ; même pour le fabricant, un compartiment pile et la pile éventuellement fournie
peuvent coûter plus cher qu'une cellule), pourvu que le dispositif ne réclame pas trop
d'énergie par rapport à la surface qu'on peut accorder au générateur photovoltaïque, et qu'il y
ait assez de lumière pendant l'usage : les cellules ont envahi calculette, montres, gadgets, etc.
Il est possible d'augmenter leur gamme d'utilisation avec un stockage (condensateur ou
batterie). Lorsqu'elles sont utilisées avec un dispositif de stockage d'énergie, il est
indispensable de placer une diode en série pour éviter la décharge du système pendant la nuit.
Elles sont utilisées pour produire de l'électricité pour de nombreuses applications (satellites,
parcmètres, ...), ainsi que pour alimenter des habitations ou un réseau public de distribution
dans le cas d'une centrale solaire photovoltaïque.
Les panneaux solaires photovoltaïques
Les panneaux solaires photovoltaïques regroupent des cellules photovoltaïques reliées entre
elles en série ou en parallèle.
Panneau solaire à Marla dans le cirque de Mafate, à la Réunion.
Avant de s'équiper en panneaux photovoltaïques , il est intéressant de savoir ce qu'on peut en
tirer au lieu géographique qui nous concerne
Moyennes annuelles de l'énergie solaire reçue par jour sur une surface oriente au
sud et inclinée d'un angle égale à la latitude L’unité est le kWh/m2.j.
Les centrales photovoltaïques
1) Microcentrales
ci-dessus une centrale de 3 kwh d’une superficie de 24 m² qui produit environ 3000 kwh/an
2)centrales industrielles
CENTRALE DE VINON SUR VERDON
TECHNOLOGIE Cristalline
Constructeur : SOLAIRE DIREC
ANNEE REALISATION : 2009
PUISSANCE INSTALLEE
PUISSANCE INSTALLEE
ENERGIE PRODUITE
SURFACE DU PARC
SURFACE DE MODULES
4,2 MWc en 2009
5,9 GWh/an
9 ha
6,8 ha
COMMENTAIRES
La centrale est installée sur un terrain agricole à faible enjeu agronomique.
Conception : fixation au sol par des pieux métalliques sans béton.
18 900 modules de technologie cristalline
Une démarche de concertation avec les élus et la population locale ayant fait l’objet d'une
étude des impacts environnementaux, d'une enquête publique, de réunions avec la
population et de la consultation systématique de Personnes Publiques Associées
(notamment la Chambre d'Agriculture et le Parc Naturel Régional du Verdon)
la centrale produit l’équivalent de la consommation annuelle de plus de 4 200 habitants
Des panneaux solaires en orbite
Le rayonnement en haute atmosphère est presque quatre fois plus important qu’à la surface
de la Terre c’est pourquoi il se révèle ainsi bénéfique d’installer des panneaux solaires
directement dans l’espace. De plus, dans cette situation le satellite est continuellement
éclairé, ne dépendant ainsi ni des saisons ni de la météo.
Or, il se pose un problème du fait de savoir comment retransmettre l’énergie sur Terre.
L’EADS (EUROPEAN AERONA Le rayonnement en haute atmosphère est presque quatre
fois plus important qu’à la UTIC DEFENCE AND SPACE) a choisi le rayon laser, par rapport
à la NASA qui a choisi les micro-ondes pour transporter l’énergie. Le principal défaut des
micro-ondes est lié au risque que peut présenter une émission continue de micro-ondes sur
Terre.
Cependant, ces dernières peuvent passer à travers les nuages, à la différence du rayon
laser qui en conséquence devra être transmis par des stations relais, situées dans la haute
atmosphère, qui retransmettront alors l’énergie du faisceau (par câble ou micro-ondes par
exemple).
Ainsi, ce qui retient le plus le développement de ce système est bien sur le coût de
l’opération, extrêmement élevé.
Avantages :
- production d'électricité trés importante
Inconvénients :
retour de l'énergie sur Terre très coûteux.
Les tarifs de vente de l'électricité photovoltaïque applicables à partir
du 1 Avril 2012 au 30 Juin 2012
Type et puissance de l’installation
Intégration au bâti
Résidentiel
Intégration simplifiée au bâti
Intégration au bâti
Enseignement ou santé
Intégration simplifiée au bâti
Autres bâtiments
Intégration au bâti
01/04/2012 au 30/06/2012 nh
[0-9kWc]
[9-36kWc]
[0-36kWc]
37,06
32,42
20,35
[36-100kWc]
19,34
[0-9kWc]
[9-36kWc]
[0-36 kWc]
27,23
27,23
20,35
[36-100 kWc]
19,34
[0-9kWc]
23,61
Type et puissance de l’installation
Intégration simplifiée au bâti
Tout type d’installation
01/04/2012 au 30/06/2012 nh
[0-36kWc]
20,35
[36-100kWc]
19,34
[0-12MW]
10,79
note nh = en attente de l’homologation par publication au Journal Officiel d’un arrêté