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L’ÉNERGIE SOLAIRE

L’électricité solaire thermodynamique

La concentration du rayonnement solairesur un seul foyer permet d’atteindre des tem-pératures élevées. Ce principe, connu depuisl’Antiquité, utilise des capteurs paraboliques,cylindro-paraboliques, ou des centrales dites “àtour”, pour lesquelles une multitude d’héliostatsorientables concentrent l’énergie solaire surune chaudière unique située sur une tour. Ilpermet le réchauffement de fluides calopor-teurs, en général de l’huile ou des sels fondus,dans une gamme de température allant de 250à 800 °C, selon les techniques utilisées. Cesfluides viennent ensuite chauffer de la vapeurd’eau, qui entraîne un turboalternateur, commedans les centrales thermiques conventionnelles.

Des unités prototypes de l’ordre dequelques dizaines de kilowatts (kW) à une

dizaine de mégawatts (MW) ont étéconstruites à travers le monde au cours desdeux décennies écoulées. Dans les Pyrénées,la centrale Thémis, d’une puissance de2 MW, a fonctionné au début des années 80.Le plus grand développement commerciala toutefois été réalisé par la société LuzCorp., qui a construit au cours de la mêmedécennie trois centrales à capteurs cylindro-paraboliques totalisant une puissance élec-trique nominale de 354 MWe, et fournissantau réseau de Southern California Edison -qui alimente Los Angeles – une électricité depointe durant les après-midi d’été. Malgréla faillite du constructeur il y a dix ans, cescentrales n’ont cessé d’être exploitées et devoir leur productivité s’améliorer. Ellestémoignent maintenant de la relative matu-rité de cette filière avec des prix de revientde l’électricité autour de 0,1 euro le kWh.

LES TROIS VOIES DE L’ÉNERGIE SOLAIRELes trois façons d’utiliser “directement” l’énergie solaire font l’objet de nouveaux développementspour améliorer leurs performances et surtout leur compétitivité économique. La plus ancienne,l’utilisation thermodynamique, connue depuis l’Antiquité, a eu naguère son heure de gloireavec des installations comme, en France, le four d’Odeillo ou la centrale Thémis. L’utilisationthermique, pour le chauffage direct de locaux ou de circuits d’eau, reste une solution attractiveque garanties, subventions et améliorations technologiques contribuent à relancer. La trans-formation directe du rayonnement solaire en électricité, le photovoltaïque, constitue la voiepotentiellement la plus riche de progrès. Le CEA travaille depuis une dizaine d’années (encadrép. 26) à en développer les avantages et à en alléger les contraintes.

CEA/Coulon

Cellules photovoltaïques en silicium polycristallin testées au CEA par le Genec àCadarache (Bouches-du-Rhône).

Un potentiel d’amélioration de 20 à 30 %reste envisageable, notamment via la pro-duction directe de vapeur dans les capteurs,et l’optimisation des miroirs. Les États-Unis,Israël et, pour l’Europe, l’Allemagne et l’Es-pagne mènent conjointement des recherchessur ces thèmes. Dans le cadre des facilitésfinancières offertes par le Fonds pour l’envi-ronnement mondial, des réalisations sontannoncées d’ici deux à trois ans dans plusieurspays tels que l’Égypte, l’Inde et le Brésil.

L’énergie solaire thermique

L’énergie solaire thermique s’utilise prin-cipalement au travers de deux applications :le chauffage de l’eau chaude sanitaire et lechauffage des locaux. Pour ces utilisations,les capteurs vitrés utilisés offrent des rende-ments de l’ordre de 50 % aux températures

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recherchées. Quatre mètres carrés permet-tent de répondre aux besoins en eau chauded’une famille de quatre personnes, pour uninvestissement moyen de 3 000 euro, et dixà vingt mètres carrés assurent le chauffaged’une maison individuelle.

Un chauffage d’appoint est nécessaire pourles périodes climatiques les plus défavorables,et en moyenne sur l’année, une installation dechauffage solaire procure un taux de couver-ture des besoins, donc une économie sur lafacture, de l’ordre de 50 à 60 %. Selon lestypes d’énergie d’appoint et d’énergie substi-tuée, les temps de retour s’étalent de 6 à 12 ans.

De tels capteurs thermiques produisentannuellement de 200 à 800 kWh par m2,selon les besoins et les modes d’utilisation.Les valeurs les plus basses correspondent àdes usages épisodiques d’eau chaude sani-taire à température élevée (supérieure à55 °C), les plus fortes étant obtenues dansle cas de chauffage continu à basse tempé-rature. Pour ce type d’application, souventappelée “plancher solaire direct”, le fluidecaloporteur issu des capteurs est injecté direc-tement dans le plancher des bâtiments à unetempérature de 25 à 30 °C. Cette conceptionconduit d’une part à des habitations trèsconfortables, d’autre part à une rentabilitétechnico-économique des meilleures.

Le développement du marché européen aété relativement stagnant autour de250 000 m2 par an dans les années 80, suite àde nombreuses contre-références, liées à unmanque de formation des installateurs. Maisl’introduction de nouveaux concepts comme

la garantie de résultats solaires et l’activitédes marchés allemand, autrichien et hollan-dais au cours de la décennie 90 ont induit uneforte croissance, avec une augmentation dessurfaces vendues d’un facteur 2 à 4 sur lescinq dernières années par rapport à la décen-nie précédente. À court terme, le marchéannuel européen est estimé à plusieurs mil-lions de m2. En France, le récent programmenational Helios 2006 vise à favoriser une dif-fusion plus large de ces produits en apportantune contribution financière aux usagers.

Les développements technologiques encours ont pour objectif de baisser les coûts,via une meilleure facilité d’intégration et demise en œuvre dans le bâti.

L’électricité solaire photovoltaïque

Réels avantages et vraies contraintes

L’énergie solaire photovoltaïque est unmoyen intéressant de réduire les coûts de dis-tribution de l’électricité dans certaines régions.Particulièrement disponible dans la plupartdes pays situés entre l’équateur et les45e parallèles, c’est une source d’énergied’une fiabilité remarquable qui présente unbilan énergétique et environnemental tout àfait favorable (encadré C, Comment fonc-tionne une cellule solaire photovoltaïque ?).

L’énergie solaire est une ressource relati-vement bien répartie géographiquement, et

donc disponible en de multiples endroits.Dès lors, l’utilisation de cellules ou demodules photovoltaïques permet la produc-tion d’électricité “sur place”, à proximitéimmédiate des besoins. C’est là l’atout essen-tiel de l’électricité solaire : elle permet d’évi-ter les coûts de distribution inhérents auxsolutions conventionnelles, que ce soit l’uti-lisation de groupes électrogènes alimentéspar énergies fossiles (diesel, essence ou gaz),ou l’extension d’un réseau électrique prin-cipal jusqu’au lieu d’utilisation.

En effet, dans le premier cas, il est néces-saire de prendre en compte la disponibilitéet le coût d’approvisionnement du combus-tible jusqu’au site concerné ainsi que la main-tenance périodique. Dans le second cas, lescoûts de l’extension ou du renforcementd’une ligne renchérissent de manière trèsimportante le prix du kWh, surtout si lesbesoins sont faibles. S’ils sont importants,l’amortissement sur chaque kWh sera pro-portionnellement réduit.

L’absence de tout mouvement mécaniqueou de circulation de fluide confère à l’élec-tricité photovoltaïque une fiabilité excep-tionnelle : les modules les plus vendus, àbase de silicium cristallin, font maintenantcouramment l’objet de garanties de l’ordrede vingt ans, pour des durées de vie escomp-tées largement supérieures. Le bilan éner-gétique est favorable, puisqu’un modulephotovoltaïque rend l’énergie nécessaire àsa fabrication en deux à quatre ans d’expo-sition au soleil, selon sa technologie defabrication.

L’ÉNERGIE SOLAIRE

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B. Charlon/GAMMA

Miroirs orientables sur le sitede la centrale solaire Thémis,exemple d’application de l’élec-tricité solaire thermodynamique.

Les dix ans du Genec

Le Genec (Groupement pour les éner-gies nouvelles de l’établissement deCadarache), créé en 1991 sous le nomde Groupement énergétique de Cada-rache, est chargé de la recherche et dudéveloppement technologique dans ledomaine de l’utilisation rationnelle del’énergie solaire photovoltaïque et ther-mique. Fruit d’une collaboration entre leCEA et l’Agence de l’environnement etde la maîtrise de l’énergie (Ademe), ila accumulé une large expérience dansles essais en laboratoire et en enso-leillement réel ainsi que dans l’assis-tance technique aux programmes d’élec-trification photovoltaïque, en particulierdans les pays en développement.

Un Club d’utilisateurs regroupe lesindustriels et les organismes collabo-rant avec le groupement en vue d’op-timiser les travaux et l’information etde créer des partenariats.

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Le principal facteur limitant la faisabilitéd’un système photovoltaïque est la quantitéd’énergie souhaitée, qui doit correspondreaux possibilités de la ressource. Pour don-ner quelques ordres de grandeur, des besoinsd’éclairage se montant à quelques heures parjour nécessiteront un “productible” quoti-dien de quelques dizaines de Wh, ce qui cor-respond à une surface de modules photo-voltaïques nettement inférieure à un mètrecarré. Les besoins domestiques liés à unniveau de confort moderne incluant télévi-sion, hifi et électroménager, ou une installa-tion de pompage pour une distribution d’eauvillageoise demanderont plusieurs kWh,voire, dans certains cas, une dizaine de kWhpar jour. Dans tous ces cas de figure, des ins-tallations de l’ordre du m2 ou de la dizaine dem2 font l’affaire, et celles-ci posent rarementdes difficultés d’intégration.

En revanche, l’utilisation de l’électricitésolaire est rarement économique pour desbesoins supérieurs, dès lors qu’ils sontconcentrés en un seul point : cette sourced’énergie n’est pas appropriée aux fortesintensités énergétiques.

L’électricité solaire photovoltaïque peutêtre utilisée de deux manières : pour la four-niture d’électricité en sites isolés ou pour l’in-jection d’électricité sur un réseau électrique.

Montée en puissance de l’alimentation des sites isolés

La première application est la plusancienne et la plus répandue au regard desmillions de systèmes installés à travers lemonde. Ce type d’application a commencé

dès les années soixante pour les satellites,où les modules solaires photovoltaïques sesont imposés face à la plupart des autres solu-tions, principalement pour des questions depoids et de fiabilité.

Les premières applications terrestres sesont répandues dans les années soixante-dix,essentiellement pour des besoins profes-sionnels (alimentation de stations météoro-logiques ou de relais de télécommunications).Les années quatre-vingt ont vu l’apparitionsuccessive de nombreuses niches de mar-ché : le balisage maritime et aérien, la pro-tection cathodique des oléoducs ou despylônes, le mobilier urbain et surtout l’élec-trification rurale, qui englobe principalementdes besoins tels que l’éclairage domestique,l’audiovisuel et le pompage de l’eau. L’ap-provisionnement en eau des sites isolés etson traitement en vue de la rendre potablereprésenteront dans un avenir proche un mar-ché très important tant les difficultés envi-ronnementales sur ce thème sont prévisibles.

Les années les plus récentes auront per-mis une montée en puissance du nombre deréalisations dans chacun de ces secteurs. EnFrance, 90 % des balises maritimes sont ainsiéquipées. Dans les pays en développement,toutes les stations de télécommunications oules relais hertziens utilisent cette sourced’énergie. Les programmes d’électrificationrurale se réalisent maintenant par tranchesde plusieurs milliers de systèmes.

La caractéristique principale de cette pre-mière catégorie d’applications de l’électri-cité solaire est qu’elle nécessite l’utilisationde batteries lorsque le besoin d’électricitén’est pas en phase avec la production, la res-

source, autrement dit le soleil (encadré F,Accumulateurs, piles et batteries : des per-formances en constante amélioration).

Croissance accélérée pourl’électricité “au fil du soleil”

La seconde application, plus récente etdonc pour l’instant moins développée, béné-ficie d’un taux de croissance encore plusrapide. Il s’agit dans ce cas de transformerdirectement le courant continu des modulesphotovoltaïques en courant alternatif iden-tique à celui qui est utilisé dans les réseauxélectriques basse tension. L’électricité ainsiproduite “au fil du soleil” est soit consom-mée sur place, soit injectée dans le réseau.L’intérêt économique et l’engouement actuelpour cette solution viennent du fait que l’élec-tricité ainsi produite peut être vendue à lacompagnie de distribution d’électricité.

Ce “couplage” au réseau peut se faire defaçon centralisée avec des centrales photo-voltaïques de quelques mégawatts : des cen-trales de puissance ont ainsi été réalisées auxÉtats-Unis au milieu des années 80. L’ap-proche complémentaire utilise le caractèreréparti de la ressource et se décline en réa-lisations “domestiques”, c’est-à-dire d’en-viron quelques kilowatts. Les précurseurs enmatière de “toits solaires” ont été la Suisse etl’Allemagne à la fin des années quatre-vingt.Quelques opérations ou programmes dedémonstration, intégrant des installations demodules en façade de bâtiment ou en toitureont eu lieu au cours des années quatre-vingt-dix. À l’heure actuelle, des programmesimportants sont en phase de réalisation, au

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CEA/Coulon

Essai sur le simulateur solaire duCEA/Cadarache d’un modèle detoit à double paroi permettantaux courants d’air naturels (créésici par des hélices) d’abaisser latempérature dans une habitation.

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Japon et en Europe du Nord principalement,sur un rythme de l’ordre du millier de sys-tèmes montés en toiture chaque mois.

Des prix de revient en baisserégulière

En 1999, le marché a représenté unvolume de 200 MW de puissance de module,et un chiffre d’affaires total du secteur pho-tovoltaïque de plus de 1,5 milliard d’euro.La croissance est forte, de 18 % par an enmoyenne sur les dix dernières années, et enaccélération : + 27 % sur les cinq dernièresannées, et + 34 % par an sur les trois der-nières. Le lancement des programmes de dif-fusion à grande échelle des toits photovol-taïques au Japon puis en Allemagne en est àl’origine.

Des projections pour l’année 2010, éta-blies sur des hypothèses de croissance de 20et 25 % par an, donnent respectivement unmarché annuel de 1 500 et 2 300 MW. Pour2020, selon les mêmes estimations, le mar-ché serait compris entre 9 et 21 GW. Àl’heure actuelle, les principaux pays pro-ducteurs sont par ordre d’importance leJapon, les États-Unis et l’Europe, avec desparts de marché respectives de 40, 30 et

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L’ÉNERGIE SOLAIRE

CEA/GENEC

Lampadaires alimentés individuellement par des cellulesphotovoltaïques à Antibes (Alpes-Maritimes).

20 %. Les principaux acteurs sont de grandsgroupes industriels pétroliers ou de l’élec-tronique : BP Amoco, Siemens, Kyocera,Sharp et Sanyo. Photowatt, entreprise d’ori-gine française implantée en Rhône-Alpes, sesitue au premier rang européen et au sep-tième rang mondial.

Les prix de vente des modules sur le mar-ché international se situent actuellementautour de 3,35 euro le watt (prix sortie usine,en grande série). L’observation des prix etdes volumes de ventes sur les vingt dernièresannées montre une évolution régulière, cor-respondant à une division des prix par deuxtous les dix ans. La projection vers le futurconduit ainsi à un prix de l’ordre de 1,5 eurole watt en 2010. Pour un système photovol-taïque couplé au réseau de quelques kW, leprix de revient pour l’usager, installation etonduleur compris, est de l’ordre du doubledu prix du module sortie usine, soit un peuplus de 6 euro le watt. Pour un système avecstockage sur batterie, les prix varient selon lesapplications entre 9 et 12 euro le watt. ●

Philippe Malbranche et Olivier DieudonnéGenec

Direction de la recherche technologiqueCEA/Cadarache

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Du lingot à la plaquette

Une cellule photovoltaïque présente lapropriété de convertir directement les rayonssolaires en électricité (encadré C, Commentfonctionne une cellule solaire photovol-taïque ?). Sur le plan électronique, c’est unediode. Le matériau semi-conducteur le pluslargement utilisé pour sa fabrication est lesilicium cristallin : sa largeur de bande inter-dite en fait un des matériaux permettant lesplus forts rendements de conversion, satechnologie est bien maîtrisée, et il est trèsabondant. Actuellement, plus de 80 % descellules sont faites avec du silicium cristal-lin. Le silicium amorphe ne représentequ’environ 10 % du marché, les cellules faitesavec ce matériau ayant des rendements deconversion moitié de ceux des cellules en sili-cium cristallin. La part des autres matériaux(CdTe, CIS, etc.) est encore faible.

Les cellules photovoltaïques sont réaliséesdans des plaquettes de silicium très fines(épaisseur de 200 à 350 µm, pour une surfaceallant de 10 x 10 cm2 à 15 x 15 cm2), décou-pées dans des lingots de silicium monocris-tallin ou multicristallin. Le procédé Czo-chralski (CZ) permet de fabriquer les lingotsmonocristallins. Un germe lui-même mono-cristallin, trempé à la surface d’un bain de sili-cium faiblement surchauffé contenu dans uncreuset en silice, est tiré à vitesse continue.La solidification a lieu et reproduit le motifcristallin du germe. Si les conditions de tiragesont bien contrôlées, l’opération produit unebillette de silicium monocristallin sans défauts.Le procédé permet d’obtenir des cellules detrès bon rendement de conversion (16 à 17 %en production) mais reste relativement cher.

Le procédé de fabrication des lingots desilicium multicristallin est basé sur la fusionde silicium dans des creusets en silice. Cetteméthode consiste à refroidir très lentement dusilicium liquide suivant une direction donnéeafin d’obtenir une structure de solidificationorientée uniformément suivant cette direction.Elle donne un lingot aux grains relativementgros (1 cm) qui permettent d’obtenir des cel-lules avec un bon rendement (14 %). C’estun procédé lent mais de faible coût.

Les modules solaires photovoltaïques : du silicium cristallin aux couches minces

Les cellules solaires photovoltaïques utilisent actuellement le silicium comme matière pre-mière, comme la plupart des composants de la microélectronique. Après avoir utilisé les rebutsde fabrication de cette dernière, leur production tend à suivre ses propres spécifications et à adop-ter des voies nouvelles, dont les couches minces, voire l’utilisation de matières plastiques. Le CEA s’est engagé dans plusieurs de ces voies.

CEA/Coulon

De la pierre de silice au bloc de silicium.

Le silicium obtenu doit être très pur, car laprésence d’impuretés même à des taux trèsfaibles réduit le rendement des cellules : lesconcentrations en impuretés tolérées vont de0,1 à quelques dizaines de ppm (parties parmillion) et même de l’ordre de quelquesdizaines de ppb (parties par milliard) pour cer-taines impuretés. Après solidification, les blocsde silicium cristallin obtenus sont découpésen lingots, puis en plaquettes. La découpe desplaquettes, réalisée par une scie à fil, est longueet coûteuse en matériau : le trait de scie faitenviron 200 µm de large, et pratiquement lamoitié du silicium est perdue.

Cellules et modules

Globalement, la fabrication des plaquettesde silicium représente 40 % du prix dumodule, élément qui remplit plusieurs fonc-tions : connecter les cellules entre elles demanière à fournir la tension voulue (typique-ment 36 cellules en série pour une sortie sur12 V) et les protéger contre les agressions del’environnement (érosion, humidité, grêle, sel,UV, etc.). Pour en réduire le coût, des gainsdoivent être recherchés à toutes les étapes : lapurification du silicium, la fabrication des lin-gots et la découpe des plaquettes. Une solution

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séduisante consiste à produire des rubans desilicium, permettant de s’affranchir de l’étapede découpe de plaquettes. Cependant cettetechnique, largement développée au cours desvingt dernières années, n’a pas réussi à s’im-poser, en raison notamment de la moins bonnequalité du silicium obtenu.

Le bon fonctionnement d’une cellulenécessite plusieurs fonctions : une absorp-tion maximum de la lumière sur tout lespectre solaire, une collecte efficace desporteurs (électrons et trous) générés par

les photons et l’établissement d’uneconnexion électrique avec le circuit exté-rieur. La première étape de sa fabricationest donc une attaque chimique de la sur-face pour la nettoyer et la rendre rugueuse,donc peu réfléchissante. La jonction estensuite formée par diffusion de dopants(les plaquettes utilisées sont généralementdopées p, mais du phosphore est introduitpar diffusion afin de doper n le silicium surune profondeur de l’ordre du micromètre)et un dépôt anti-réfléchissant est effectué.Les grilles métalliques servant à collecterle courant, très étroites afin de ne pas créerun effet d’ombrage important, sont ensuiteréalisées par sérigraphie. Un recuit permetalors la formation du contact électriqueentre le silicium et les grilles collectrices.Les rendements de conversion de ces cel-lules sont de l’ordre de 14 à 17 %, selon lanature du matériau utilisé (multi ou mono-cristallin) et le procédé de fabrication dela cellule. Un ruban d’aluminium destinéà réaliser les interconnexions entre cellulesest ensuite soudé sur les grilles. Puis lescellules sont testées individuellement, triéesselon leurs rendements de conversion, etassemblées en modules. La face éclairéedes cellules est collée sur un verre trempéqui assure la protection mécanique. L’ar-rière des cellules est protégé par une feuillede verre ou de plastique. Les collages sontréalisés par un polymère qui assure la pro-tection contre l’humidité.

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L’ÉNERGIE SOLAIRE

Comment fonctionne une cellule solaire photovoltaïque ?

Le silicium a été choisi pour réaliserles cellules solaires photovoltaïques pourses propriétés électroniques, caractéri-sées par la présence de quatre électronssur sa couche périphérique(colonne IV du tableau deMendeleiev). Dans le siliciumsolide, chaque atome est lié àquatre voisins, et tous lesélectrons de la couche péri-phérique participent aux liai-sons. Si un atome de siliciumest remplacé par un atomede la colonne V (phosphorepar exemple), un des élec-trons ne participe pas auxliaisons ; il peut donc sedéplacer dans le réseau. Il y a conduction par un élec-tron, et le semiconducteur

est dit dopé de type n. Si aucontraire un atome de sili-cium est remplacé par unatome de la colonne III (bore parexemple), il manque un électron pourréaliser toutes les liaisons, et un électronpeut venir combler ce manque. On dit

C

alors qu’il y a conduction par un trou, etle semiconducteur est dit dopé de type p.Les atomes tels que le bore ou le phos-phore sont des dopants du silicium.

matériau p. La zone initialement dopéen devient chargée positivement, et lazone initialement dopée p devient char-gée négativement. Il se crée donc un

champ électrique entre leszones n et p, qui tend àrepousser les électronsdans la zone n et un équi-libre s’établit. Une jonction

a été créée, et en ajoutantdes contacts métalliquessur les zones n et p, c’estune diode qui est obtenue.

Lorsque cette diode estéclairée, les photons sontabsorbés par le matériau etchaque photon donne nais-sance à un électron et untrou (on parle de paire

électron-trou). La jonctionde la diode sépare les élec-trons et les trous, donnantnaissance à une différence

de potentiel entre les contacts n et p, etun courant circule si une résistance estplacée entre les contacts de la diode(figure).

- + -+

I

contact sur zone n

contact sur zone p

zone dopée nabsorption des photons

générationdes porteurs

collectedes porteurs

zone dopée p

Lorsqu’un semiconducteur de type nest mis en contact avec un semicon-ducteur de type p, les électrons en excèsdans le matériau n diffusent dans le

Cellules de silicium cristallinassemblées en modules sur le site d’expérimentation duCEA/Cadarache.

J.-F. Mutzig

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Les verrous technologiques

Jusqu’à présent, les volumes de siliciumutilisés par l’industrie photovoltaïque étaientfaibles (3 000 tonnes par an, soit de l’ordrede 10 % de la consommation de silicium dela microélectronique), et le silicium provenaitdes rebuts (têtes et queues de lingots, sili-cium polycristallin) de la microélectronique,qui fournissaient un silicium d’une puretéde quelques ppb, supérieure à celle deman-dée par les cellules photovoltaïques. Maisles prévisions de croissance du photovol-taïque rendent maintenant nécessaire unesource autonome produisant à un faible coûtun silicium de pureté adaptée à ses besoins.Parmi les alternatives possibles à l’utilisa-tion des rejets de la microélectronique, leprocédé à lit fluidisé utilisant comme maté-riau de base le silicium métallurgique semblele plus prometteur. Il permettrait d’élaborerdu silicium de qualité satisfaisante à un coûtaccessible. Le groupe chimique allemandBayer étudie actuellement l’industrialisationde ce procédé.

Le procédé actuel de fabrication des lin-gots est lent. L’industrie s’oriente vers desméthodes de coulée continue en creuset froid :le silicium fondu y est introduit, confiné parun champ électromagnétique et solidifié sanscontact avec les parois. Il est ainsi possibled’obtenir en continu des lingots de grandedimension (35 × 35 cm2 de section et 3 m delongueur) ayant une structure cristalline com-patible avec les applications photovoltaïques.Ce type de procédé présente plusieurs avan-tages par rapport aux procédés classiques. Ilévite toute contamination par le creuset grâceau confinement électromagnétique, sa pro-ductivité est multipliée par 10 et l’homogé-néité du lingot permet d’obtenir des cellulesau rendement de conversion très ciblé etd’abandonner le tri des cellules.

Les cellules à concentration

Dans un système à concentration, unecellule de petite taille est placée au foyerd’une optique (figure 1). La surface de lacellule silicium est donc divisée par le fac-teur de concentration, qui peut aller jusqu’à300. La cellule peut être réalisée dans dusilicium de très bonne qualité avec les tech-nologies de la microélectronique, ce quiautorise des rendements de conversion plusélevés (supérieurs à 20 %) que ceux des cel-lules utilisées sans concentration (15 %).Le système doit toutefois être placé sur unsupport orientable pour suivre le soleil. Lecoût du système est alors essentiellementdéterminé par l’optique, qui peut être réa-lisée en plastique, et donc être peu chère,par l’assemblage et par le système de suivi.Les systèmes à faible concentration (moinsde 50) utilisent des optiques cylindriques

qui nécessitent un suivi du soleil suivant unaxe ; les systèmes à forte concentration (plusde 100) un suivi selon deux axes. Cetteapproche, particulièrement adaptée à la pro-duction d’électricité dans des micro-cen-trales, devrait permettre de réduire le coût del’énergie produite. Pour améliorer les sys-tèmes à concentration, on cherche bien sûrà augmenter les rendements des cellules,mais aussi à développer des systèmesoptiques ayant des focales plus courtes afinde réduire l’épaisseur et donc l’encombre-ment des panneaux.

Les voies du futur : les modules en couches minces

Les verrous scientifiques et technologiques

La faible consommation de matière, l’éla-boration directe du matériau par les tech-niques de dépôt usuelles sur un matériau sup-

PHOTOWATT INTERNATIONAL

Cellule en silicium multicristallinde 100 mm.

optique deconcentration

cellule silicium Figure 1. Schéma de principed’une cellule à concentration.

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port de faible coût comme le verre, l’acierou un polymère, sans avoir besoin d’autresétapes de mise en forme coûteuses commele sciage, font de la technologie en couchemince une solution particulièrement attractivepour les cellules photovoltaïques (encadré).Le silicium cristallin, de par sa structure debandes électroniques, n’est pas naturelle-ment le matériau semi-conducteur adapté à laconversion photovoltaïque en couche mince.Les profondeurs d’absorption pour la partiedu spectre solaire se situant dans le procheinfrarouge sont en effet élevées et se chif-frent en dizaines de microns. Les cellules ausilicium monocristallin en film mince ontcependant leur intérêt, comme nous le ver-rons plus loin.

Pour avoir une cellule couche mince, il fautde préférence utiliser des semi-conducteursayant une bande électronique interdite directe(et non indirecte comme le silicium) et de valeuradaptée au spectre solaire (de l’ordre de 1,5 eV).Avec de tels matériaux, tout le spectre solairepeut être absorbé dans une épaisseur de l’ordredu micromètre. De plus, la faible profondeurd’absorption rend la cellule relativement tolé-rante à la présence de défauts agissant commecentres de recombinaison des porteurs decharge (électrons et trous).

De très nombreux efforts de recherche ontdonc été entrepris sur un assez grand nombrede matériaux depuis une quarantaine d’années,afin d’arriver à des cellules photovoltaïques encouche mince possédant, à la fois, un bon ren-dement de conversion et un faible coût. Histo-riquement, deux matériaux ont été particuliè-rement étudiés et ont fait l’objet d’uneindustrialisation : le silicium amorphe et le tel-lurure de cadmium (CdTe), tous deux déposéssur verre. Malgré les efforts entrepris, le ren-dement maximum de ce type de cellules, pourdes tailles significatives, reste malheureuse-

ment limité. Ceci tient à la difficulté d’obtenirce type de matériaux avec une faible densitéde défauts et, par là, de bonnes propriétés élec-troniques. Le silicium amorphe souffre de plusd’un effet de vieillissement lié à l’instabilitéde l’hydrogène dans sa structure et la présencedu cadmium, un métal lourd de toxicité com-parable à celle du mercure, rend le CdTe rela-tivement inapproprié à une application grandpublic. Récemment, des avancées remarquablesont été obtenues sur un autre type de matériaux,les chalcopyrites, avec comme référence lediséléniure de cuivre et d’indium (CuInSe2)ou CIS. Cette filière est donc devenue rapide-ment la filière couche mince de référence.

Mais tout n’est pas dit et les efforts sepoursuivent dans de nombreuses autres direc-tions : fabrication de matériau silicium avecdes grains de taille très faible amenant à unemodification de la structure de bande élec-tronique (silicium dit “microcristallin”), cel-lules multi-jonctions à base d’alliages sili-cium-germanium amorphes, cellules à basede matériaux semi-conducteurs organiques.

Un des gros enjeux de la filière couche minceest également lié à la possibilité de réaliser cescouches directement sur un matériau souplepermettant ensuite de recouvrir un matériau deconstruction. Ceci pose un autre défi, celui detrouver des polymères de support étanches àl’humidité et donc permettant de prévenir toutecorrosion et toute dégradation du matériau semi-conducteur et des connexions électriques.

Le champ des recherches sur ces matériauxcouches minces reste relativement ouvert.Toute la gamme des matériaux possibles n’apas été étudiée en détail. De nombreux effortssont encore nécessaires pour obtenir une miseen œuvre assurant à la fois le coût minimumet le rendement maximum. Enfin les méca-nismes physiques élémentaires commandantles rendements initiaux et les facteurs de

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L’ÉNERGIE SOLAIRE

(0,3 )(0,005 )(2 )(1 )(3000 )

contact supérieur ZnOjonction n-CdS/p-CIS

couche CIScontact arrière molybdène

support verre

Figure 2. Schéma de principe del’empilement d’une cellule photo-

voltaïque CIS (diséléniure decuivre et d’indium) et de l’inter-

connexion électrique entre deuxcellules en série. L’épaisseur desdifférentes couches est indiquée

entre parenthèses.

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dégradation sont encore relativement malcompris dans tous les matériaux couchesminces étudiés, quelle que soit leur maturité.

Les technologies en cours de développement ou d’industrialisation Ces dernières années, alors que le rende-

ment de conversion des cellules solaires baséessur les couches minces de CdTe a stagné autourde 16 % en laboratoire, des progrès constantsont été obtenus avec le matériau semi-conduc-teur CIS. Une valeur de rendement de 18,8 %,record pour le domaine des couches minces, aété atteinte en laboratoire pour une cellule depetite dimension. Pour des modules de 30 ×30 cm2 , des performances de 12,8 % sontd’ores et déjà obtenues. De plus, des étudesfondamentales ont montré que ce matériau a laparticularité d’être très stable sous rayonne-ment et qu’il a la propriété de s’autorégéné-rer. Ce phénomène d’autoguérison est expliquépar la structure chalcopyrite de ce matériau,qui n’est pas totalement ordonnée, et par lefait que de nombreux défauts de type lacunesd’atomes ou d’atomes étrangers (sodium, fer,or…) sont présents et que les atomes de cuivrequi le constituent sont relativement mobiles.Ces résultats ont provoqué un regain d’intérêtpour cette filière, en particulier en Allemagne.

La structure de l’empilement d’une cel-lule CIS (figure 2) comprend un support enverre et une électrode en molybdène déposéepar pulvérisation cathodique. La jonctionsulfure de cadmium (CdS) de type n/CIS detype p est obtenue par le dépôt d’une couchede 50 nanomètres de CdS en bain chimique(Chemical Bath Deposition CBD) sur le CIS.Une électrode transparente en oxyde de zinc(ZnO) dopé à l’aluminium constitue lecontact supérieur. Plusieurs techniques dedépôt ont été utilisées pour l’obtention de lacouche CIS (évaporation sous vide, séléni-sation des précurseurs métalliques, pulvéri-sation cathodique ou par spray, électrodépo-sition). Les meilleures performances sontatteintes avec la technique de co-évapora-tion des éléments. La surface finale de la cel-lule est ensuite encapsulée par une couchepolymère et un verre de protection.

Les principaux acteurs industriels sont Sie-mens Solar (Allemagne et États-Unis), WurthSolar (Allemagne) et Matsushita (Japon). EnFrance, il n’y a encore aucun industriel impli-qué dans cette filière, et dans le domaine dela recherche, le laboratoire d’électrochimiede l’ENSCP (École nationale supérieure dechimie Paris) travaille sur ce matériau depuisplusieurs années avec une réputation inter-nationale. EDF, Saint-Gobain Recherche etl’ENSCP participent à un projet permettant ledéveloppement en France d’une filière couchemince CIS originale basée sur l’électro-déposition.

Cellules au silicium monocristallin en film mince

Même si, comme nous l’avons vu, le sili-cium nécessite des épaisseurs de plus de10 microns pour espérer un rendement deconversion suffisant, une solution très attrac-tive pour réaliser à faible coût des cellulesphotovoltaïques est de prélever dans une pla-quette de silicium monocristalline un filmépais de quelques dizaines de microns et dele rapporter sur un support à faible coût tels le

Photowatt-CEA :

une coopération qui s’intensifie

Les collaborations établies entre Pho-towatt International, premier fabricanteuropéen verticalement intégré deplaques, cellules et modules photovol-taïques, le CEA/Cadarache et le Leti àGrenoble devraient s’intensifier dans lesannées à venir, dans les domaines del’intégration des modules dans le bâti-ment et du développement de nouveauxprocédés de fabrication des cellules pho-tovoltaïques. Photowatt poursuit sa stra-tégie de croissance sur un marché mon-dial en expansion rapide. Passé de 5 MWde capacité en 1997 à 18 MW aujour-d’hui, Photowatt International proposeaussi une gamme élargie de produitsavec deux tailles de wafers et celluleset une gamme de modules allant de 10 àplus de 100 watts-crête (Wc). Cela apermis l’élargissement de sa présencegéographique : Photowatt est mainte-nant présent à égalité sur les zonesEurope (marché du “raccordé réseau”,particulièrement en Allemagne), Amé-rique (grâce notamment à sa maison-mère américaine Matrix Solar Techno-logies, elle-même filiale de la société

canadienne Automation Tooling Sys-tems) et Asie/Pacifique (le Japon étantle plus gros marché mondial). Son objec-tif ? Figurer parmi les cinq premiersfabricants mondiaux. Photowatt attacheune importance particulière au déve-loppement des nouvelles technologieset des nouveaux procédés de fabrica-tion. L’entreprise consacre, avec la par-ticipation de l’Ademe, environ 15 % deson chiffre d’affaires à la recherche etau développement de la technologie. Sesprincipaux objectifs pour le court et lemoyen terme sont d’une part un four decoulée continue du silicium dans uncreuset froid, qui permet de fabriquerdes lingots dix fois plus rapidement quela technique utilisée aujourd’hui, avecune réduction d’un facteur 2 de la valeurajoutée, d’autre part le développementd’un procédé innovant de fabricationdes cellules permettant une augmenta-tion significative du rendement deconversion. D’autres projets pour le pluslong terme portent sur le raffinage dusilicium et le développement de cellulesultra-minces (100 -150 µm).

Fabrication de cellules de silicium multicristallin à l’usine Photowatt International de Bourgoin-Jallieu (Isère).

PHOTOWATT INTERNATIONAL

verre ou la céramique. Ceci permettrait den’utiliser que la quantité de silicium stricte-ment nécessaire au bon fonctionnement dela cellule et d’éviter les pertes liées au sciage,tout en gardant un matériau et une filière par-ticulièrement fiables et éprouvés. Plusieursprocédés sont en cours d’étude dans plusieurslaboratoires au Japon, en Allemagne, en Aus-tralie et en France. Tous ont en commun lafragilisation du silicium en profondeur demanière à pouvoir ensuite détacher le filmde surface situé au dessus de cette zone fra-

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gile et de le reporter sur le support à bas coûtde grande dimension (figure 3). Avantagesupplémentaire : la réalisation des étapestechnologiques des cellules se fait à l’échelled’un module de grande surface et non plus auniveau de chaque tranche de silicium, ce quipermet de réduire de façon significative lecoût ramené à l’unité de surface. Le CEA/Leti(Laboratoire d’électronique et de technolo-gie de l’information), qui a joué le rôle depionnier dans le développement de ce typed’approche pour les applications à la micro-électronique, se propose d’étudier son appli-cation aux cellules photovoltaïques dans lecadre d’un contrat avec l’Ademe, en colla-boration avec l’INSA de Lyon.

Les cellules organiques : vers le tout polymère

La recherche et développement de cellulessolaires à base de matériaux organiques ou depolymères est motivée par les avantages queprésentent ces matériaux : faible coût, matièrepremière illimitée, facilité de mise en œuvre,technologies basse température, grandes sur-faces, dispositifs souples... Cette solution

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L’ÉNERGIE SOLAIRE

JKU Linz

Cellule photovoltaïque soupledéveloppée à l’université de Linz

(Autriche).

support bas coût

siliciummonocristallin

pavage couche mince

technologie cellule

Figure 3. Schéma de principe dereport de couche mince et depavage de support bas coût degrande dimension avec réalisationdes étapes technologiques defabrication des cellules à l’échelledu module.

permettrait de plus de traiter selon une mêmetechnologie le substrat (support mécanique),le matériau actif où a lieu la conversion pho-tovoltaïque et l’encapsulation.

Il existe aujourd’hui des cellules photo-voltaïques organiques dont le rendementde conversion dépasse la barre des 10 %.Elles reposent sur la technologie dite deGrätzel qui consiste en une jonction entreun polymère organique et un électrolyteliquide.

La génération photovoltaïque se situe dansle polymère et l’électrolyte permet d’assu-rer le transfert de charge et la différence depotentiel (force électromotrice) par sa jonc-tion avec le polymère. Ce type de cellule estdéveloppé en Suisse par Solaronix pour lesapplications basse puissance et en Allemagnepar l’INAP (Institut für Angewandte Photo-voltaik) pour les applications haute puissance.La présence de l’électrolyte liquide constituel’inconvénient majeur de cette technologieavec une faible stabilité en temps (évapora-tion) et une plage de température de fonc-tionnement limitée.

La recherche s’oriente donc vers une solu-tion tout polymère. Dans cette filière, lesmeilleures performances actuelles sont un ren-dement de conversion de 3,6 %. Le nombrede laboratoires travaillant dans le domaine, à unstade encore relativement amont, reste limité,mais les publications, brevets et conférencesillustrent l’émergence de cette voie qui pour-rait entrer en phase de développement à uneéchéance voisine de 2010. Le CEA/Leti a acquisune expérience significative dans ce domainesuite à un contrat européen, le premier sur lesujet. Il a proposé une voie originale pour amé-liorer les performances de collecte des por-teurs de charge dans ce type de structure. Unprojet national alliant le Leti, plusieurs labo-ratoires universitaires et le groupe TotalFinaElfest en cours de montage afin de développerdes cellules photovoltaïques en polymères pourles applications de production d’énergie. Ils’agit dans un premier temps d’une activité derecherche amont. ●

Claude Jaussaud, Jean-Pierre Joly,Alain Million et Jean-Michel Nunzi

Laboratoire d’électronique et de technologie de l’information

Direction de la recherche technologiqueCEA/Grenoble

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L’interface entre l’usager et la ressource

Le système photovoltaïque est l’interfaceentre l’usager et la ressource, il “met enforme” l’énergie captée par les modules pho-tovoltaïques selon les types d’applications.En plus d’une association de modules pho-tovoltaïques, un onduleur permet de conver-tir le courant continu en courant alternatifpour une utilisation sur le réseau électrique.L’usager peut alors consommer l’énergiequ’il produit ou la réinjecter dans le réseauélectrique si, par exemple, les conditions derachat par l’exploitant du réseau lui sont favo-rables. L’onduleur peut entraîner une pompedans le cas d’un système de pompage dit “aufil du soleil” : de l’eau est alors refoulée dansun réservoir dimensionné selon les besoins duvillage, pendant la journée, et restituée à lademande.

S’il est nécessaire de stocker l’énergie élec-trique produite, un parc de stockage seraintroduit. La gestion de ce parc se fera alorsvia un régulateur : celui-ci se charge lorsquel’ensoleillement le permet, et alimente l’uti-lisation dès que nécessaire. Un tel stockagepermet, d’une part de pallier les alternancesjour-nuit ainsi que plusieurs jours consécu-tifs de mauvaises conditions météorolo-giques, d’autre part de répondre à des besoinsde puissance nettement supérieurs à ce quepourrait fournir instantanément le généra-teur photovoltaïque.

Les solutions hybrides

Ce type d’architecture se complexifiepour des applications plus importantes :afin d’éviter la mise en place d’un stockagetrop imposant, et donc coûteux, un géné-rateur auxiliaire tel qu’un groupe électro-gène peut être retenu. Ce sera alors un sys-tème photovoltaïque dit “hybride”,c’est-à-dire associant un générateur pho-tovoltaïque à une source d’énergie, conven-tionnelle ou non : si les conditions météo-rologiques sont favorables, l’associationde plusieurs sources renouvelables (photo-voltaïque, éolienne ou micro-hydraulique)est même envisageable.

Les axes de recherche et de développe-ment sur tous ces systèmes visent principa-lement la baisse des prix de revient des ser-vices rendus. Cette baisse s’obtient en jouantsur les couples coûts/performances des com-posants constituant le système mais aussi surdes facteurs plus globaux de gestion et d’ar-chitecture des systèmes.

Dans l’ordre d’importance des coûts d’in-vestissement initiaux d’un système photo-voltaïque hybride, par exemple, le généra-teur photovoltaïque représente en moyenne35 %, le parc batterie 20 %, les autres com-posants 20 %, les sources d’énergie addi-tionnelles (groupe électrogène) 10 %, la logis-tique et l’installation 15 %. L’intégration descoûts de maintenance, d’intervention et deremplacement de matériel (parc de stockagepar exemple) bouleverse la ventilation descoûts dits de “cycle de vie” : le parc batterieen représente 50 %, le générateur photovol-taïque 20 %, les sources d’énergie addition-nelles 15 % et les autres composants 10 %, lalogistique et l’installation 5 %.

La recherche sur les modules photovol-taïques a des retombées directes sur les coûtsdes systèmes tant en termes d’augmentationdes performances et du rendement de conver-sion des cellules (plus de puissance pour unprix constant), qu’en termes de diminution des

Les systèmes photovoltaïquesAu-delà du module qui porte les cellules exposées au soleil, l’exploitation de l’électricité photovoltaïque passe par des “systèmes” dont le développement futur nécessite, pour chaquecomposant, un effort de recherche pour améliorer son économie et sa fiabilité. C’est particu-lièrement vrai du chaînon essentiel que constitue le stockage, la contrainte principale pesant surla filière étant la nécessité de stocker l’électricité entre les périodes d’ensoleillement. Le CEA

cherche entre autres à modéliser le fonctionnement des systèmes photovoltaïques en intégrantles évolutions des caractéristiques du stockage au fil du temps.

Installation destinée à couvrir lesbesoins en électricité et en eaud’un camp de vacances pour ado-lescents à Alice Springs, dans lebush australien. Elle associe desmodules solaires photovoltaïques,un parc de batteries, un groupeélectrogène, une pompe deforage, une unité de dessalementet une réserve d’eau douce.

Ph. Malbranche

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prix de production en travaillant sur les pro-cédés de fabrication (module photovoltaïquemoins cher à puissance équivalente, voir Lesmodules solaires photovoltaïques : du siliciumcristallin aux couches minces). Il est raison-nable aujourd’hui d’estimer qu’une marge degain existe qui permettrait de réduire de 30 %le coût d’un système complet. Les deux autresaxes de recherches les plus importants ne sontpas à négliger. Sur le parc de stockage, le gainpotentiel est estimé à 50 % s’il est, parexemple, possible de multiplier par deux ladurée de vie de la batterie. Sur les autres com-posants, il s’agit de minimiser les pertes deconversion : les onduleurs dits “solaires” sontbien plus performants que les onduleurs stan-dard. Leur rendement atteint 95 % pour uneconsommation à vide de quelques pour-centde leur puissance nominale alors que le ren-dement des onduleurs pour alimentation sansinterruption dépasse à peine 80 % avec uneconsommation à vide supérieure d’un ordrede grandeur. Le prix est en conséquence.

Fiabilisation, gestion des fluxet nouvelles architectures

Dans le cas des systèmes complets, lesprincipaux leviers technologiques qui gui-dent les actions de recherches sont essen-

tiellement de trois ordres. Le premier relèvede la fiabilité des systèmes. À court et moyenterme, c’est l’un des moyens d’action lesplus efficaces : il s’agit par exemple deréduire les fréquences de maintenance surles sites isolés, ou de conférer à l’ensembledes composants des durées de vie aussilongues que celle des modules photovol-taïques. Cela passe par une meilleureconnaissance de la fiabilité du système et lamise en place de dispositifs de surveillanceet d’aide à l’utilisateur, mais aussi par unecertaine standardisation des composants etune approche d’assurance de la qualité et denormalisation de plus en plus présente. Unepartie des études du Groupement pour lesénergies nouvelles de l’établissement de Cada-rache (Genec) vise à l’élaboration des normesinternationales de tests des systèmes.

Le second levier est celui de la gestion desflux énergétiques : à moyen terme, cette solu-tion semble la plus prometteuse. Elle consisteà utiliser au mieux les flux d’énergie de tousles composants, en tentant de faire produireles modules photovoltaïques au plus près deleur puissance maximale, en recherchant unemeilleure connaissance de la stratégie de ges-tion des batteries, en optimisant les associa-tions de sources énergétiques en vue de pri-vilégier l’utilisation des énergies renouvelablestout en correspondant à un optimum écono-mique. La mise en œuvre de méthodes de ges-tion “prédictives”, c’est-à-dire visant à pré-voir l’état futur des ressources ou du système,constitue aujourd’hui un axe important desétudes menées au Genec.

Le troisième levier s’exerce sur l’architec-ture globale du système : c’est certainement lepoint le plus innovant qui donnera le jour àdes produits dont l’architecture sera éloignéede celle des premiers systèmes. Cette tendanceest très nette pour des applications du type“couplage au réseau”. Des produits de plusen plus diversifiés sont en cours de dévelop-pement pour permettre une intégration plussimple et modulaire dans les bâtiments : tuiles,ardoises ou couvertures “solaires”, fenêtresde toit ou de façade semi-transparentes, etmême des composants multifonctionnels assu-rant simultanément une ou plusieurs des fonc-tions telles que rigidité mécanique du bâti-ment, isolation, protection solaire, captation del’énergie thermique et production d’électri-cité photovoltaïque. Mais c’est aussi le caspour les autres applications où les réponsestechniques permettront au produit final demieux correspondre aux besoins, voire detrouver de nouvelles applications.

Si les améliorations apportées aux sys-tèmes complets sont plutôt liées au processusd’innovation technologique, les gains pres-sentis dans le domaine du stockage électro-chimique – comme celui de la conversionphotovoltaïque examiné plus précédem-ment – sont du ressort de la recherche amont.

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L’ÉNERGIE SOLAIRE

Résidence secondaire, dans lecentre de la Finlande, alimenté enélectricité par un système photo-

voltaïque délivrant en été del’ordre de 5,6 kWh par jour.

Les modules de toit assurent également des fonctions de

couverture et d’isolation.

Neste Oy NAPS

Batteries en test accéléré auGenec, au CEA/Cadarache.

CEA/GENEC

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Le stockage de l’électricitéd’origine photovoltaïque

Les générateurs photovoltaïques auto-nomes ont besoin d’un stockage électriquepour assurer une fourniture d’énergie quasipermanente quelles que soient les séquencesd’ensoleillement. Suivant les applications,cette fourniture sera assurée par exemplependant deux à trois jours pour certains petitssystèmes domestiques, et pendant une quin-zaine de jours pour les applications profes-sionnelles comme les phares et balises mari-times.

Divers types de batteries

Les différentes applications font appelà des batteries de technologie différenteafin de garantir le service rendu. Parmi cestechnologies, la batterie au plomb, bien queconnue depuis plus de cent ans, offre actuel-lement, et pour de longues années encore,la meilleure réponse en termes de prix etde durée de vie. Certains sites où lescontraintes d’exploitation et d’environne-ment climatique sont particulièrementsévères peuvent être équipés de batteriesau nickel-cadmium mais leur coût prohi-bitif ne permet pas la généralisation de leurutilisation. Les nouveaux couples (lithium-ion, lithium métal hydrure) présentent dessolutions intéressantes pour les applica-tions portables de faible capacité mais sontégalement trop chers (encadré F, Accumu-lateurs, piles et batteries : des perfor-mances en constante amélioration).

Des expériences sont menées dans cer-tains pays du Nord (Allemagne, Finlande)pour utiliser la pile à combustible commegénérateur associé à un stockage conven-tionnel. Dans ce cas le stockage est assurépar des réserves d’hydrogène produit par desélectrolyseurs alimentés à partir de généra-teurs photovoltaïques. Cette forme de stoc-kage inter-saisonnier ne présente pas d’auto-décharge. Si les prix étaient suffisammentcompétitifs pour compenser le faible rende-ment actuel de cette technologie, celle-ci per-mettrait de résoudre sous nos latitudes lesproblèmes liés à la variation de productionélectrique entre été et hiver.

Les systèmes autonomes utiliseront desbatteries au plomb à plaques planes de typedémarrage pour les installations d’une puis-sance crête installée proche de la centainede watts. Les installations plus importantesseront équipées de batteries à plaques tubu-laires plus adaptées au cyclage journaliermais d’un coût du kilowattheure stocké de1,5 à 2 fois plus élevé. Ce type de batterieéquipe les installations de plusieurs cen-taines de watts à plusieurs kilowatts crêteet toutes les applications professionnellespour des raisons de fiabilité et de sécurité

(relais hertziens de télévision et de télé-communications, phares maritimes). La bat-terie au plomb “étanche” est utilisée essen-tiellement dans des environnementscontraignants ne permettant qu’une main-tenance très espacée comme l’équipementde balises maritimes ou dans des installa-tions confinées.

Le stockage dans un système photovol-taïque contribue pour une part non négli-geable au coût total d’exploitation par sesremplacements successifs durant la durée devie d’un système. En effet, suivant la tech-nologie et l’utilisation des batteries au plomb,leur durée de vie peut varier entre 2 et 15 ans.En outre, le coût total du stockage ne suitpas la même baisse que celle obtenue sur lesautres composants d’un système photovol-taïque. Un des objectifs actuels est de doublerla durée de vie des batteries bon marché deconception proche des batteries de démar-rage et de prolonger à 20 ans les batteriesindustrielles de type stationnaire à plaquespositives tubulaires. Pour ce faire, larecherche au niveau des industriels porte surla conception de nouveaux produits plusadaptés aux contraintes des applications pho-tovoltaïques.

Mieux gérer la vie des batteries

Un deuxième axe de travail concernel’amélioration des systèmes de gestion de labatterie ; il s’agit de préserver celle-ci en lafaisant travailler dans les domaines d’état de

charge les moins contraignants. Ces amélio-rations nécessitent une meilleure connais-sance des dégradations observées sur site.Les travaux menés actuellement au Genecdans le cadre de contrats avec l’Ademe, EDF,la Commission européenne et les industriels,permettent d’identifier et d’étudier les para-mètres influents qui sont à l’origine desmécanismes de dégradation.

Les dommages observés, sur des batteriesde retour de terrain, sont essentiellement lasulfatation dure, la décohésion de la matièreactive et, dans une moindre mesure, la cor-rosion des grilles. Pour mener à bien ces tra-vaux, le laboratoire dispose de moyens encyclage charge-décharge, en étude électro-chimique, en caractérisation optique et chi-mique. Les connaissances acquises permet-tront la modélisation de ces mécanismes etleur intégration dans des algorithmes de ges-tion adaptative qui évoluera en fonction descontraintes réellement subies par la batteriesoumise aux conditions particulières d’ex-ploitation. Celle-ci sera alors gérée suivantson propre état, son propre comportement etnon plus en fonction de paramètres prééta-blis lors de son installation, ce qui contribuerafortement à l’amélioration du service rendu età terme de la durée de vie du stockage. ●

Pascal Boulanger et Daniel DesmettreGenec

Direction de la recherche technologiqueCEA/Cadarache

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Essais sur un prototype de batterie au Genec.

CEA/GENEC