TI Modulepv4

Toute reproduction san

Modules ph

Aspects tech

otovoltaïques

nico-économiquespar Alain RICAUD

Gérant de CYTHELIA Consultants (Savoie-Technolac)Professeur associé à l’Université de SavoieAncien directeur de France-Photon (Angoulême),Solarex Corp (Frederick, Md), et Solems SA (Palaiseau)

n sait les difficultés rencontrées par la filière au silicium cristallin à sesdébuts, pour avoir voulu démarrer sa carrière en remplacement des grou-

pes Diesel sur un marché non solvable (les pompes africaines) aux besoinsimmenses, et sur un marché solvable (les faisceaux hertziens) aux besoins rela-

1. Applications des couches minces ....................................................... D 3 941 — 21.1 Petites puissances ....................................................................................... — 2

1.1.1 Produits grand public à usage intérieur............................................ — 21.1.2 Produits grand public à usage extérieur........................................... — 2

1.2 Grandes surfaces ......................................................................................... — 21.2.1 Secteur du bâtiment ........................................................................... — 31.2.2 Secteur de l’automobile ..................................................................... — 4

1.3 Systèmes connectés au réseau .................................................................. — 4

2. Production de masse .............................................................................. — 52.1 Coûts............................................................................................................. — 5

2.1.1 Objectifs............................................................................................... — 52.1.2 Projection de coût des modules ........................................................ — 52.1.3 Courbe d’apprentissage ..................................................................... — 7

2.2 Disponibilité des matériaux........................................................................ — 82.3 Du laboratoire au produit commercial....................................................... — 102.4 Récapitulatif ................................................................................................. — 11

3. Conclusion ................................................................................................. — 11

Références bibliographiques ......................................................................... — 12

O

s autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.© Techniques de l’Ingénieur D 3 941 − 1

tivement limités. On pourrait donc penser a priori que si les couches minces nesont pas capables de se substituer à la filière cristalline, par un coût de produc-tion moindre pour des performances semblables, leur avenir est sérieusementcompromis. Ce serait ne pas voir les avantages concurrentiels propres aux filiè-res « couches minces ».

Les caractéristiques des cellules photovoltaïques en couches minces qui danscertaines applications, peuvent les rendre plus attrayantes ou plus performantesque les cellules cristallines sont :

— la grande flexibilité de taille et de forme permettant de faire des modulessur mesure ;

— l’esthétique (couleur foncée, homogène et uniforme, connections des cellu-les en série presque invisibles à l’œil) ;

— une gamme variée de tensions et de courants dont les limites ne sont fixéesque par l’optimisation des largeurs de bandes ;

— la possibilité de les rendre vraiment semi-transparentes ;— la possibilité de les intégrer sur toutes sortes de substrats, notamment des

supports souples ;

MODULES PHOTOVOLTAÏQU

TD 3 941 − 2

— la capacité de chers que les génércoûts d’assemblage

— la capacité de (jusqu’à 2 m2).

Les technologies sieurs obstacles dantives avec les sourc

Indépendammentmarges de distributau consommateur, coûts des modules

— la performance— le coût de fabri— le volume de p

1. Applicaminces

1.1 Petites pui

Il existe une multitudpetits modules, dans leles et grand public, de fabricants eux-mêmes d

Pour le grand public,calculettes de poche, lepes de poche, les détectoits ouvrants d’automoet la navigation de plais

Pour les professionnetation scientifique, les pautoroutiers, les casque

Au-dessous de 5 Wc,rminée par la densité dele prix par watt-crête (flexibilité de l’outil de pcapacité d’intégration efont que les photopileadaptées à ces marchés

1.1.1 Produits gra

Il s’agit de micromodquasi-totalité utilise leamorphe-a-Si:H, dont Scadmium – CdTe ut

ES ____________________________________________________________________________________________________________

faire des générateurs 12 V de petite taille beaucoup moinsateurs cristallins équivalents (pénalisés par la découpe et les
de petites cellules) ;faire des générateurs monolithiques de très grande taille
photovoltaïques des couches minces devront affronter plu-s leur quête de diminution des coûts pour devenir compéti-

es traditionnelles d’électricité.
des aspects commerciaux, de circuits de distribution et deeurs, qui gouvernent à l’heure actuelle le prix de vente finalvu sous l’angle du producteur industriel, pour améliorer lesil est nécessaire de progresser sur trois fronts : des modules (rendement ou Wc/m2) ;cation (€/m2) ;roduction (économie d’échelle).
tions des couches

ssances

e d’options prix/rendement/qualité pour less domaines des applications professionnel-petite puissance où ils sont intégrés par lesans leurs propres boîtiers.

on y trouve des objets aussi divers que less montres, les sonnettes de portes, les lam-teurs de présence, les lampes de jardin, les

afficheurs des calculettes et des montres). Ce segment qui fit lagloire des sociétés japonaises au début des années 1980, n’a unecroissance moyenne que de 5 % par an et n’entre pas toujours dansles statistiques officielles dans la mesure où il ne peut être quantifiéen termes de watts-crête, mais en termes de surface (puisque lapuissance électrique délivrée ne l’est pas sous un soleil, mais sousquelques centaines de lux). En 2003, le volume des ventes mondia-les de ce segment était de l’ordre de 85 000 m2 et le chiffre d’affairede 107 M€, en croissance de 7 % par an.

1.1.2 Produits grand public à usage extérieur

Il s’agit de modules de puissance inférieure à 50 Wc, dont encoreplus de la moitié utilise la technologie du silicium cristallin. Ce seg-ment a une croissance moyenne de 15 % par an et verra progressi-

oute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.© Techniques de l’Ingénieur

biles, les modules souples pour le campingance.

ls, il y a les clôtures électriques, l’instrumen-arcmètres urbains, les téléphones d’urgences à soudure, les paratonnerres, etc.

la performance des produits n’est pas déte- puissance (le rendement), pas plus que parWc). Elle est principalement définie par laroduction, les considérations esthétiques, lat le prix par unité de surface. Ces critèress en films minces sont beaucoup mieux que les photopiles traditionnelles.

nd public à usage intérieur

ules de puissance inférieure à 1 Wc, dont las technologies des films minces (siliciumanyo est le leader incontesté, et tellure de

ilisé par Matsushita-Panasonic pour les

vement les technologies films minces se substituer entièrement auxtechnologies traditionnelles pour des raisons de meilleure intégra-tion permise par la plus grande flexibilité de taille, de forme et detension. Il s’agit souvent d’améliorations de produits existants enles rendant autonomes (marché dit des OEM : Original EquipmentManufacturer). En 2003, le volume des ventes mondial de ce seg-ment était de l’ordre de 285 000 m2 et le chiffre d’affaire de 170 M€,en croissance de 14 % par an.

1.2 Grandes surfaces

Si les petits systèmes grand public ont été le principal débouchédu silicium amorphe pendant de nombreuses années, des produitssouples de grandes dimensions et des applications pour lesbâtiments sont visées depuis la fin des années 1990. Ainsi des élé-ments de façade de plusieurs mètres carrés, des panneaux semi-transparents, des tuiles, des bardeaux et autres éléments de toituresincorporant des cellules amorphes ont été développés en coopéra-tion avec les verriers et les professionnels du bâtiment.

_______________________________________


1.2.1 Secteur du bâtiment

Depuis quelques années, les produits tions des systèmes photovoltaïques (PV) eles éléments de construction des bâtimentques montés sur des supports métalliquedu champ des applications bâtiment et smodules intégrés aux allèges, en pare-sole

1.2.1.1 Éléments de façade

Le produit sur lequel l’industrie a déjà éfaçade ; elle s’est développé principalemekington Solar, Vegla (Prosol) et Schüco, lfaçade vitrée et en Suisse avec Atlantis. Sarégions septentrionales de l’Europe que cecès (Allemagne, Danemark, Pays-Bas). Il egrammes de démonstration et se venconsidérations de prestige que sur la capduire du courant électrique de façon écono

1.2.1.2 Modules semi-transparents

On peut aussi incorporer la fonction d’omles vitres du bâtiment. Pour cela, on se separents qui peuvent incorporer des cellucette façon, l’énergie solaire qui ne rentre pperdue mais sert encore à produire de l’éle

Si l’on souhaite obtenir un véritable ef(plus fin que celui obtenu avec l’espacemecristallin), et voir une véritable image, il esdes ouvertures sous forme de lignes ou dtance interligne (ou intertrou) est inféripupille. Ainsi, un observateur situé à l’intérement) même s’il se trouve proche des vles images au travers.

Les brevets déposés en 1990 par SolemPhototronics Solartechnik GmbH (PST), uétablie en 1989 en s’appuyant sur la tecfabricant en Europe de modules en siliciuêtre achetés semi-transparents en op100 cm × 60 cm, 27 W) et assemblés sur verre de 6 mm comme indiqué à la figure

Figure 1 – Exemple de vitrage semi-transpaPhototronics Solar-Technik

____________________________________________________________________ MODULES PHOTOVOLTAÏQUES

phares pour les applica-n Europe sont basés surs [1]. Les modules classi-s disparaîtront peu à peueront remplacés par desil ou en toiture.

tabli sa réputation est lant en Allemagne avec Pil-e leader incontesté de lans surprise, c’est dans les produit a le plus de suc-

st encore très lié aux pro-d plus sur la base deacité du système à pro-mique.

Les vérandas ont démarré un peu plus tard, mais devraient serépandre notamment dans l’habitat individuel en associant le pro-duit à un système autonome de ventilation.

Le pare-soleil photovoltaïque est un produit relativementnouveau dans l’architecture des grands bâtiments (lycées,collèges). Il s’y adapte très bien. Son développement dansl’habitat individuel nécessite de l’associer à d’autres fonctionsqui restent à définir.

1.2.1.3 Éléments de toiture

L’intégration des modules en toiture répond à trois critères :— la réponse adéquate au besoin de couverture ;— l’esthétique ;— et la facilité d’installation.

Les modules en couches minces sont mieux adaptés à ces critèresque les modules classiques. Ce sous-segment n’apparaîtra pasauprès du grand public avant leur maturité technico-économique,c’est-à-dire probablement pas avant l’an 2006. En attendant, lasociété USSC propose toute une gamme de produits souples ousemi-rigides, bien adaptés aux toitures nord-américaines : bac acier(standing seams) ou ardoises (shingles).

Les modules PVL-64, respectivement PVL-128 d’Unisolar a-Si:H àtriple jonction déposée au défilé sur substrat acier inoxydable et

rent au a-Si:H, document

Figure 2 – Éléments de toitures a-Si:H collé sur bac acier


brage directement dansrt de vitrages semi-trans-les photovoltaïques. Deas dans la salle n’est pasctricité.

fet de semi-transparencent des cellules au siliciumt nécessaire de pratiquere petits trous dont la dis-eure au diamètre de larieur (côté de faible éclai-itres peut réellement voir

s SA ont été repris parne compagnie bavaroisehnologie française, seulm amorphe qui peuventtion (ASITHRU 30 SG,

un support de façade en1.

encapsulés dans un sandwich EVA-Tefzel sont livrés sous forme derouleaux de 285 cm de long (respectivement 549 cm) et de 40 cm delarge qui peuvent être collés sur un substrat métallique (figure 2 ettableau 1).

Les modules au silicium amorphe en tandem sont trois fois moinschers à produire au mètre carré que les modules cristallins, maisdeux fois moins performants en termes de kWh/m2 produits. Il enrésulte qu’ils sont les meilleurs candidats dans les applications où lecoût d’installation est modeste puisqu’une partie importante decelui-ci est proportionnel à la surface des panneaux. Ainsi la filièreamorphe, malgré ses faiblesses, reste un candidat crédible pour leremplacement des tuiles, puisque pour cette applicationparticulière, le rendement n’est pas le problème majeur (on estimeen effet qu’une puissance installée de 3 kW est amplement suffi-sante pour une installation domestique ; celle-ci occupe une surfacede 50 m2 avec un rendement stabilisé de 6 %).

Si l’on tient compte en outre, du fait que les rendements desmodules cristallins (rendement cellules) et des modules amorphes(rendement d’ouverture) ne sont généralement pas comptabilisésde la même façon, on aboutit sur le terrain à des résultats beaucoupplus proches que sur les étiquettes des constructeurs.


TD 3 941 − 4

On voit donc par cessurfaces, à terme, les clibre au silicium cristall

1.2.2 Secteur de l

Une application indusau Si amorphe semi-trplace du toit ouvrant, soleil » sans solliciter (figure 3).

La ventilation solairede trois petits ventilamodule solaire de 9 Wla température intérieuen été à 55 ˚C, est réduqui donne aux passagénergétique extrêmem1988 à 1991 par la jointronics. Certains véhicutème solaire chez Audi

1.3 Systèmes c

La vente des modmoyenne de 35 % par ade modules en 2004 à ede CA avec un prix mmodules PV sont vendu2,5-3 €/Wc. Le phénomventes se font au Japontiques connectés au rés

Tablea

Puissance crête Pp.......

Cellules par module tri

Tension d’utilisation V

Courant d’utilisation IpTension de circuit ouve

Tension maximale de c

Intensité de courant de

Intensité de courant m

Fusible série.................

Diode antiretour ..........

Longueur......................

Largeur .........................

Masse surfacique ........

Épaisseur du substrat .

Densité de puissance ..

Densité de puissance ..

Surface .........................

Masse ...........................

ES ____________________________________________________________________________________________________________

(0)

considérations que même pour les grandesouches minces ne laisseront pas le champ

in.

’automobile

trielle pour usage grand public des modulesansparent est le module intégré en lieu etventilant l’habitacle du véhicule « au fil dula batterie, lorsque ce dernier est à l’arrêt

de l’habitacle est assurée par un systèmeteurs de 2 W chacun, alimentés par un

u 1 – Caractéristiques électriques et mécaniques des modules a-Si:H sur bac-acier

Caractéristique SSR-64 SSR-128

......................................................................................................... (W) 64 128

ple jonction........................................................................................... 11 22

pm...................................................................................................... (V) 16,5 33

m....................................................................................................... (A) 3,9 3,9

rt Vco ............................................................................................... (V) 23,8 47,6

ircuit ouvert Vco (− 10 ˚C ; 1 250 W/m2) ........................................ (V) 27,1 54,2

court-circuit Icc............................................................................... (A) 4,80 4,8

aximal de court-circuit Icc (75 ˚C ; 1 250 W/m2) ............................ (A) 6,3 6,3

.......................................................................................................... (A) 8 8

.......................................................................................................... (A) 8 8

......................................................................................................... (m) 3,050 5,800

......................................................................................................... (m) 0,450 0,418

................................................................................................... (kg/m2) 8,57 8,46

...................................................................................................... (mm) 0,75 0,75

................................................................................................... (W/m2) 46,63 52,80

.................................................................................................... (W/kg) 5,44 6,24

........................................................................................................ (m2) 1,37 2,42

......................................................................................................... (kg) 11,76 20,51


c. Le diagramme de la figure 4 montre quere du véhicule, qui peut facilement monterite à 35 ˚C par extraction de l’air chaud, ceers un vrai sentiment de confort à coûtent réduit. Ce projet a été développé det-venture franco-allemande Solems-Photo-les haut de gamme sont équipés de ce sys-

.

onnectés au réseau

ules photovoltaïques (PV) augmente enn depuis 1998. On estime la vente mondialenviron 990 MWc, soit 3,2 milliards de dollarsoyen de vente à 3,1 $/Wc. Aujourd’hui, less en grandes quantités (> 100 kW) à environène nouveau, c’est que les deux tiers de ces et en Allemagne dans des systèmes domes-eau.

Dépendant des applications, le coût des systèmes complets sesitue entre deux fois (toitures connectées au réseau) et cinq fois plus(maisons isolées autonomes avec stockage) que le coût des modu-les.

Le prix d’un système connecté au réseau doit prendre en comptele prix des modules qui dépend du circuit de distribution (environ1,5 fois le coût usine, soit 4 €/Wc), le prix des onduleurs (environ1 €/Wc), le prix du reste du système (RDS) qui comprend l’embal-lage, le transport, l’installation (montage, câblage, connexion auréseau) et qui s’estime en €/m2 installé (typiquement 225 €/m2 pourune maison individuelle de 3 kWc).

Figure 3 – Toit ouvrant solaire (silicium amorphe semi-transparent) ventilant l’habitacle d’une Golf, document Solems-PST

_______________________________________


Le tableau 2 montre la situation actuelld’un système domestique connecté au réstechnologies en compétition : sc-Si (siliciu(silicium multicristallin), CIGS et a-Si:H (silipour les couches minces quelques combide coût de fabrication et de rendement, étant un coût de système inférieur à 1d’atteindre un coût global actualisé de l’ékWh, coût qui correspond au tarif d’achat solaire en 2004 en France métropolitaine.

Un prix de système en dessous de 3 €commencer à ouvrir les segments de maret autres systèmes distribués connectés aà l’investissement. En effet, avec un coûtrendement de 10 %, un coût d’installationtoiture évité de 30 €/m2, un coût d’onduproduire de l’électricité solaire à 0,30 €/kWtarif d’achat en vigueur en 2003 en Corse e

Figure 4 – Effet du toit ouvrant solaire surde l’habitacle d’une Golf, document Solems-

Tableau 2 – Coût d’un système installen fonction du prix d’achat des m

de leur rendement ainsi que du restSituation actuelle et proj

Caractéristiques Situation a

Achat modules ...... (€/m2) 600 501 4

RDS ........................ (€/m2) 225 225 2

Coût toiture évité .. (€/m2) 45 45

Onduleur................ (€/Wc) 1,00 1,00 1

Rendement sc-Si mc-Si C

7,5 %

10,0 % 7,81

12,5 % 7,24 6,45

15,0 % 6,20

(1) Sur fond grisé les valeurs correspondant àl’objectif ultime.

Volume d’air 280 m3/h (tauToit solaire 6 W (à m

9:00 10:00 12:00 13:00 111:000

10

20

30

40

50

60

70

T (

°C)

E (

mW

/cm

2 )

∆T = 8 K = 8 K

∆T

∆T = 8 K

∆T

Air intAir intérieur du vrieur du véhiculehiculesans ventilateursans ventilateur

Air intAir intérieur du vrieur du véhiculehiculeavec ventilateuravec ventilateur

Tee

Air intérieur du véhiculesans ventilateur

Air intérieur du véhiculeavec ventilateur

Te

Ensoleillement au milieu


e des coûts d’installationeau et compare les quatrem monocristallin), mc-Sicium amorphe). Il montrenaisons possibles futuresle but ultime à atteindre,5 €/Wc qui permettrait

lectricité solaire à 0,15 €/en vigueur de l’électricité

(0)

2. Production de masse

Nous traitons ici surtout les coûts de fabrication (€/m2) et leseffets d’échelle en production.

2.1 Coûts

2.1.1 Objectifs

Le département d’énergie des États-Unis (DOE) a fixé commeobjectif très ambitieux sur le long terme, un coût des couches min-ces de 0,33 €/Wc, basé sur un objectif de rendement des modulesde 15 % et un coût de fabrication des modules par unité de surfacede 50 €/m2. Cet objectif est à considérer comme l’objectif ultime deproduction généralisée d’électricité solaire.

Plusieurs études ont montré le potentiel pour les couches mincesd’atteindre 50 à 70 €/m2. Aucune étude n’a validé le même potentielpour le silicium cristallin. Nous traitons ici la question de commentaccomplir cet objectif de 50 €/m2 à partir d’un document de KenZweibel, lui-même tiré d’informations en provenance de la sociétéSolar Cells Inc [2].

Pour ce faire, nous indiquons les améliorations dans la recherchedes procédés nécessaires dans les filières de CIS, de CdTe, et destechnologies de couches minces en silicium pour atteindre cetobjectif ambitieux. Nous examinons les paramètres clés, tel que lescoûts d’investissements, les vitesses de dépôt, l’épaisseur des cou-ches, le coût des matériaux, les rendements de production, les coûtsdes substrats et des parties amont et aval de la fabrication.

2.1.2 Projection de coût des modules

Le tableau 3 montre la situation actuelle des coûts de fabricationdes quatre technologies en compétition : silicium monocristallin,silicium multicristallin, CIGS et silicium amorphe.

(0)

la température PST

é en toiture (en €/Wc) odules (en €/m2), e du système (RDS). ections (1)

ctuelle Projections

01 300 150 75

25 225 150 100

45 45 30 20

x nominal)idi)

4:00 15:00 16:00 17:00Août 1990 VW Golf

= 25 K = 25 K = 25 K

Irradiation solaire radiation solaire E

mpmpérature de lrature de l’air ambianair ambiant

Irradiation solaire E

mpérature de l’air ambiant

de la journée

Tableau 3 – Coût de fabrication (en €/m2) et rendement déterminent le coût des modules (en €/Wc) (1)

Caractéristiques Situation actuelle Projections

Coût usine (€/m2) 400 334 267 200 100 50


/Wc est nécessaire pourché des toitures, façades

u réseau sans subvention module à 1,50 €/Wc, un de 150 €/m2, un coût deleur à 500 €/kW, on peuth, coût qui correspond aut dans les DOM-TOM.

Il montre pour les couches minces quelques combinaisons possi-bles futures de coût de fabrication et de rendement. Le coût le plusélevé (2,67 €/Wc) représente l’état de l’art en 2003 pour la produc-tion de couches minces. Le coût le plus bas, qui est une combinai-son de 15 % de rendement du module avec 50 €/m2 de coût defabrication, représente le but à long terme du DOE américain. Toutecombinaison de coût et de performance en dessous 0,50 €/Wc per-met d’atteindre l’objectif. Le problème du rendement des modulesest surtout qu’il doit être maintenu ou augmenté en dépit des straté-gies de réduction des coûts [3].

,00 1,00 0,50 0,25

IGS a-Si:H Films minces

8,74 7,40 4,10 2,32

6,81 5,80 3,20 1,80

2,66 1,49

2,30 1,28

l’état de l’art, sur fond bleu

Rendement sc-Si mc-Si CIGS a-Si:H Films minces

7,5 % 3,56 2,67 1,33 0,67

10,0 % 3,34 2,67 2,00 1,00 0,50

12,5 % 3,20 2,67 0,80 0,40

15,0 % 2,67 0,67 0,33

(1) Sur fond grisé les valeurs correspondant à l’état de l’art, sur fond bleu

l’objectif ultime.


TD 3 941 − 6

2.1.2.1 Similitudes

Les technologies en cdes. Ces ressemblancetion des modules. Dansgénéral :

— un verre en facextérieur ;

— une couche transprant servant de contact

— un sandwich centr— un contact arriè

métallique ;— une couche arrièr

aussi constituer un sup

Plusieurs procédés icas : sérigraphie ou rrecuit pour activer ou col’encapsulation ; connefils.

À l’intérieur même dePar exemple, presquenécessitent une couchele contact avant. Celle-ccomme le verre de supede métal pour le contacathodique magnétronimposées au cœur desjonction ont aussi de népaisseur, le bas coût dgences énergétiques ac

Étant données ces rede coûts entre les photovoltaïques ? Les f

— certaines structurcomplexes que d’autres12 interfaces ;

— certains semi-consérie tout en maintenanCu(In,Ga)(S,Se)2 ;

— certains procédés que d’autres ;

— certains procédés — certains procédés

les au niveau de l’envir— certains procédé

inférieurs ;— certains procédés

des temps d’interruptio— certains procédés

recuit thermique ou de

Ce sont ces différenccoûts de fabrications.

Les autres technologbase » suivant les différ

Exemple : la technominces CdTe n’utilise déposés très vite (1 µmfaible, et emploie un sudes avantages que de scains). Le coût total pa20 MW de production anologie est optimisée présidu de coût asymptoment de l’encapsulation

ES ____________________________________________________________________________________________________________

ouches minces ont de nombreuses similitu-s simplifient l’analyse des coûts de fabrica- la configuration verre en superstrat, on a en

e avant qui protège de l’environnement

arente et conductrice pour collecter le cou- avant ;al mince (1 à 4 µm) semi-conducteur ;re qui est souvent une couche mince

e protégeant de l’environnement qui pourraport rigide ou flexible.

ntermédiaires se retrouvent dans tous lesayures pour l’interconnexion des cellules,mpléter certaines couches ; lamination pour

xion des bus ; isolation des bords ; sorties

chaque catégorie, il y a des ressemblances. tous les modules en couches minces d’oxyde transparent conducteur (OTC) pouri peut être produite ou achetée prédéposéerstrat. Il y a aussi presque toujours un dépôtct arrière, souvent obtenu par pulvérisation d’aluminium. Finalement, les contraintes cellules, l’absorbeur et la formation de laombreuses similitudes telles que la faible

es matériaux, la vitesse de dépôt et des exi-ceptables dans les procédés.

ssemblances, d’où viennent les différencesdifférentes filières de couches minces

acteurs les plus importants sont :

es de cellules photovoltaïques sont plus : le a-Si:H en jonction triple a, par exemple,

ducteurs sont plus difficiles à fabriquer ent la performance : couches graduées tel que

nécessitent des investissements plus lourds

utilisent plus de matériaux de base coûteux ;nécessitent plus de nettoyage ou de contrô-onnement ;

2.1.2.2 Coût matière

Afin de vérifier le bien fondé des approches silicium en couchesminces dans la production de cellules photovoltaïques, il est intéres-sant de chiffrer le simple coût du silane, matériau de base des cellu-les au a-Si-H.

2.1.2.3 Effet d’échelle

Le tableau 4 qui peut servir comme référence pour les autres filiè-res, récapitule de manière très condensée tous les aspects des coûts(y compris les coûts administratifs, de vente et de marketing) de lafilière a-Si:H depuis l’échelle d’un laboratoire à celle d’une usine degrande taille. La plupart des études prévisionnelles sur les coûts,proposées par les chercheurs, s’arrêtent en général au coût direct(matériau et main-d’œuvre). Le plus souvent, il y manque les amor-tissements des équipements, la location des bâtiments, les coûts del’administration, du marketing et des ventes, et le coût de la garan-tie. Ainsi les prévisions de réduction de coût vues par les chercheurssont toujours trop optimistes. Sans parler des sommes importantesqu’il faut en permanence investir en recherche et développement etpour lesquelles il est normal de prévoir sur le long terme un justeretour d’investissement. Ce tableau 4 a le mérite de montrer que lea-Si:H a le potentiel pour être produit à 0,80 €/Wc dans des usinesde 100 MWc si le volume est là.

Trois voies majeures règlent la réduction des coûts :

— (1) rendements photovoltaïques ;— (2) optimisation des procédés ;— (3) économie d’échelle suivant l’augmentation de volume de

production.

Les chercheurs ont tendance à penser que c’est leur effort enrecherche et développement qui a l’impact le plus déterminant.Cependant, l’expérience passée nous a montré que les sauts techno-logiques ne se produisent pas tous les deux ans. Nous pensons,pour notre part, que dans la phase où nous nous trouvons, le travaildes ingénieurs process (optimisation des procédés) et l’ouverturede nouveaux marchés auront un rôle bien plus déterminant. Enoutre, il est clair que le prix de vente final dépendra aussi des coûts

Exemple : avec une épaisseur de couche e = 3 µm, un silane (SiH4)

qui coûte environ 300 €/kg, une masse volumique gazeuse de 1 kg/m3,une masse volumique solide de 2,3 g/cm3 et pour 1 m2 de cellule pho-tovoltaïque, on dépose 7 g. Un rendement de dépôt de 25 % impliqueune consommation de 28 g, soit 8 €. Avec un rendement PV de 10 %(100 Wc/m2), on trouve 0,08 €/Wc, ce qui n’est pas négligeable lors-que l’on vise des coûts de production < 1 €/Wc.


s ont des rendements intrinsèquement

exigent plus de contrôle, d’entretien ou ontn plus longs ; nécessitent des étapes supplémentaires detraitement chimique.

es qui déterminent les variations dans les

ies varient par rapport à cette « ligne deences mentionnées plus haut.

de marketing et de la chaîne de distribution, qui sont eux-mêmestrès dépendant du volume.

2.1.2.4 Optimisation des procédés

Les efforts de recherche et développement sur l’optimisation desprocédés doivent porter sur :

— de meilleures performances en général (par consensus, il fautviser les 15 % de rendement au niveau module) ;

— de nouvelles options d’oxyde transparent conducteurs ;— des superstrats et des substrats innovants ;— une vitesse de dépôt plus élevée (viser 0,1 µm/s) ;— des températures plus basses (réduction de l’énergie ajoutée) ;— des procédés plus simples (réduction du nombre d’étapes) ;— une réduction des coûts d’entretien ;— une réduction des temps d’interruption ;— de meilleurs rendements de fabrication à chaque étape ;— une optimisation du « back end » (rayures, encapsulation,

interconnexions).

logie de base de First Solar pour les couchesque très peu de matériaux semi-conducteurs/s), nécessite un investissement relativement

bstrat de verre peu cher (c’est bien le moindree trouver à Toledo, la région des verriers améri-

r mètre carré est estimé à moins de $100 pournnuelle, avec une asymptote de $50 si la tech-our des volumes de production plus grands. Letique d’une telle technologie viendra probable-.

_______________________________________


2.1.2.5 Volumes

Les effets du volume sur les prix viendparamètres suivants :

— achat des matériaux en gros à de mmes de disponibilité) ;

— contribution des frais fixes (frais génde vente) réduits par rapport aux frais de p

— réduction du coût d’investissement substrats sont plus grands) ;

— meilleure optimisation des flux dans — coûts de garantie diminuant avec l’ap

2.1.3 Courbe d’apprentissage

Le prix de vente en quantités de 10 kWc dun peu inférieur à 3 €/Wc. On estimait alofabrication des modules standards amorpvoisins de 2,4 €/Wc, l’avantage de la fabricunitaires compensant pour le silicium amoment de conversion (6 à 8 %).

Mais parce que le volume de leur produplus faible, il ne fait pas de doute qu’ils pphotopiles cristallines classiques, descendde 1 €/Wc (figure 5).

Tableau 4 – Analyse prospectiv

Échelle de temps

Taille de l’unité

Volume annuel (m2)

Rendement module............................... (%

Capacité............................................. (MWc

Coût direct (€/m2) :

– superstrat TCO.........................................

– autres matériaux......................................

– salaires directs .........................................

– personnel direct.......................................

Coût variable indirect.................................

Coût total variable .......................... (€/m2

Coûts fixes de fabrication (€/m2) :

– amortissements .......................................

– salaires .....................................................

Coût fixe indirect ........................................

Coût fixe total .................................. (€/m2

Coût de fabrication.....................................

Administration............................................

Ventes et marketing ...................................

Coût total au m2 .........................................

Coût total ......................................... (€/Wc

Ressources humaines .................................

Taille produit.........................................(m2

Puissance unitaire ............................... (Wc


(0)

ront essentiellement des

eilleurs prix (sauf problè-

e du coût des modules au a-Si:H, du laboratoire à la production de masse [4]

t t + 10 t + 20 t + 30

Laboratoire Pilote Petite usine Grande usine

600 30 000 300 000 1 000 000

) 6 8 10 12

) 0,036 2,400 30,000 120,000

352 120 73 54

. 112 24 15 11

. 80 56 42 31

. 160 40 16 12

. (5 ouvriers) (60 ouvriers) (300 ouvriers) (660 ouvriers)

. 28 16 12 11

) 380 136 85 65

472 116 31 27

. 320 (960 k€) 106 (16 M€) 28 (52 M€) 26 (130 M€)

. 152 (2 employés) 10 (6 employés) 3 (20 employés) 1 (35 employés)

. 60 4 2 1

) 532 120 33 28

. 912 256 118 93



. 1 244 290 126 99

) 20,70 3,60 1,26 0,83

13 employés 84 employés 400 employés 875 employés

) 0,09 0,60 1,50 1,50

) 5,4 48 150 180

1

10

du

les

PV

(€

/Wc)

1993

2003

2011

c-Si (€/Wc)


éraux d’administration etroduction ;par unité (surtout si les

la fabrication ;prentissage.

es modules en 2004 étaitrs que les coûts usine dehes et cristallins étaient

ation en grandes surfacesrphe, le plus faible rende-

ction cumulée est dix foisuissent, plus tôt que lesre sous le seuil fatidique

La figure 5 montre sur une échelle log/log, l’évolution historiquedu coût moyen des modules de puissance (€/Wc en monnaie cons-tante de 2000), en fonction du volume des ventes cumulées.

En faisant certaines hypothèses, le comportement passé permetd’élaborer les tendances du futur. La formule classique utilisée est laloi de Verdoorn :

ln(P1/P0) = (lna/ln2)ln(V1/V0)

avec a le coefficient d’apprentissage,

P le prix de vente unitaire,

V le volume des ventes cumulées.

Figure 5 – Coût usine moyen des modules au c-Si et au a-Si:H passé et projeté, document : Cythelia

10 102 103 104 105 1060,1

Volume cumulé (MWc)

Co

ût

des

mo Films minces (Films minces (€/Wc)/Wc)Films minces (€/Wc)

2022


TD 3 941 − 8

À proprement parles’applique à la productluation des coûts directpour prédire des évolut

— elle ne prend pasl’énergie auxquelles cetrécession entraînant la

— elle ignore l’implaculier elle ne dit rien suquer l’entrée en producapacité).

Dans l’industrie élecégal à 0,79 ; nous avon0,82 pour le c-Si et de 0

Le scénario de croisspolitiques volontaires teJapon et en Allemagne30 % par an pour l’ensemdes ventes atteindrait20 000 MWc, le chiffred’euros et leur prix de montre que les films mdixième de la productiotaient à peu près le mêmvite, leur part de marché

Avec les hypothèsesminces serait de 42 %/a1 060 MWc, leur part 2annuel 1,5 milliards d’vente moyen de 1,4 €/croissance et de coefficricain de 0,33 $/Wc ne ption cumulée de 150 GW

2.1.3.1 Taille critique

En plus de l’effet d’apcoût liées à la taille unitches minces, l’expérienunité de surface des prque double la surface usons de la course aux p

En outre, sachant quplus gourmande en caples capacités de produmieux absorber des amvés et les coûts variabsupplémentaires pour f

Ces deux derniers argles il y a un double risqdes produits en films mpoint mort est au-dessjamais être atteint ; si l’vent pas être absorbés

2.1.3.2 Expériences

Les expériences succARCO-Siemens (a-Si:H,Canon-USSC (a-Si:H), Phototronics (a-Si:H), Adans la mise au point démontré la nécessité débouchés des photopigrandes dimensions potels investissements. Avou trois jonctions, les emais trois d’entre ellesc’est l’équipementier aujourd’hui vouloir rele

ES ____________________________________________________________________________________________________________

r, la théorie de la courbe d’apprentissageivité du travail humain, tout au plus à l’éva-s. Il faut donc rester prudent dans son usageions de prix : en considération les variations du coût dete industrie est très sensible, les périodes deguerre des prix, ni les profits à regagner ;ntation de nouvelles technologies (en parti-r les effets perturbateurs que peuvent provo-ction de nouvelles usines de très grande

tronique, le coefficient d’apprentissage ests ici utilisé un coefficient d’apprentissage de,80 pour le a-Si:H.

ance est un scénario optimiste, résultant delles que celles qui prévalent depuis 1997 au

. Il donne lieu à une croissance moyenne deble des technologies. En l’an 2010, le volume

alors 4 640 MWc, les ventes cumulées d’affaire annuel des modules 8 milliardsvente moyen serait de 1,75 €/Wc. La courbeinces, qui ne comptaient encore que pour len cumulée des modules cristallins et qui coû-e prix en 1999, voient leur coût diminuer plus devrait donc augmenter en conséquence.

ci-dessus, le taux de croissance des filmsn, et en 2010 le volume des ventes atteindrait3 %, les ventes cumulées 3 840 MWc, le CAeuro leur coût de 1,1 €/Wc et leur prix deWc. En gardant les mêmes hypothèses deient d’apprentissage, l’objectif du DOE amé-eut être atteint qu’en 2022, avec une produc-c de films minces !...

prentissage, on a pu noter des réductions deaire des modules. Dans le domaine des cou-ce montre en effet que le coût variable paroduits se trouve réduit de 19 % chaque foisnitaire des dits produits. C’est l’une des rai-lus grands modules.

e l’industrie des films minces est deux foisital que celle des photopiles traditionnelles,ction doivent être plus importantes pourortissements proportionnellement plus éle-les doivent être plus faibles. Deux raisonsavoriser les modules de grandes tailles.

annoncé en 2000 son intention de construire une usine de capacité20 MWc. De son côté, Sanyo Electric a augmenté la capacité de 3 à10 MWc, dès 1999, de son usine dédiée aux modules hybrides de lasérie HIT et a augmenté sa capacité de 60 MWc en 2004.

2.1.3.3 Machines de dépôt

Outre les recherches sur les procédés, des innovations récentesportent sur les machines permettant de fabriquer des structures deplus en plus complexes. Depuis 1990, les performances des machinesRFPECVD (Radio-frequency plasma enhanced chemical vapour depo-sition) ont évolué essentiellement par la taille et par l’homogénéitédes dépôts. On notera que les équipementiers, qui les fabriquent, ontdéveloppé, à partir d’un savoir-faire photovoltaïque, des machines dedépôt plasma de grandes dimensions pour la fabrication d’écransplats pour des sociétés japonaises. Par un juste retour des choses, lesprogrès réalisés dans la qualité des dépôts pour TFT (transistors enfilms minces) sont répercutés à nouveau dans la fabrication de modu-les photovoltaïques de très grandes dimensions (plaques de 210 cm× 185 cm). La vitesse de dépôt est de 1 nm/s (3,6 µm/h).

2.2 Disponibilité des matériaux

À long terme, les technologies du photovoltaïque en couches min-ces ont le potentiel de devenir compétitives avec d’autres sourcesd’énergies. On est donc en droit de poser la question des limitespotentielles qui se présenteront dans le cas d’une économie baséesur une de ces technologies. Il est bien évident que, dans la réalité,on trouvera toujours un mélange de plusieurs technologies, maisl’expérience industrielle montre aussi que, à longue échéance, unesolution devient prédominante. À titre purement académique, ilsemble alors intéressant d’étudier les cas où toute l’énergie pri-maire mondiale qui se chiffre approximativement à 100 000 TWh/ansoit produite par une des technologies du photovoltaïque en cou-ches minces, CIS, CdTe ou « Cellule Grätzel ». La discussion qui suitest issue d’un article de B. Andersson et al., à Chalmers Universityof Technology, Göteborg en Suède qui fait référence [5].

Pour estimer les besoins en matériaux, ils ont étudié les structu-res suivantes de cellules photovoltaïques :

— cellule Grätzel : TiO2 (10 µm) entre 2 couches de SnO2(0,5 + 0,5 µm). La cellule contient aussi une couche de Pt (0,002 µm)et 0,1 g/m2 de Ru (dans le pigment) [10] ;

— cellule CIS : ZnO (2 µm), CdS (0,05 µm), CuInSe2 (2,0 µm), Mo(1,0 µm) [7] [8]. On pourra substituer une partie de l’indium par dugallium ;

— cellule CdTe : SnO2 (0,12 µm), CdS (0,2 µm), CdTe (1,5 µm), Cu


uments sont aussi les raisons pour lesquel-ue à vouloir pénétrer trop tôt le marché avecinces : si la taille de l’usine est trop petite, leus de la capacité de production et ne peutusine est trop grande, les coûts fixes ne peu-par le volume limité qu’impose le marché.

industrielles

essives de Sanyo Electric (a-Si:H) au Japon, CIS), APS (a-Si:H), Solarex-BP (a-Si:H, CdTe),First Solar (CdTe) aux États-Unis, Solems-NTEC (CdTe), Würth Solar (CIS) en Europe,d’ateliers pilote, puis de petites usines, ontd’une surface financière considérable. Lesles en couches minces vers des produits deur le bâtiment pouvaient seuls justifier deec les photopiles de grande surface à deuxntreprises citées ont déjà pris ce tournant, ont dû abandonner la course. En Europe,Unaxis (filiale de Balzers) qui semblever le défit face au Japonais Kaneka qui a

(0,001 µm) Mo (1,0 µm) [9].

Le modèle fait l’hypothèse d’un rendement des cellules de 15 %,d’une insolation moyenne de 2 000 kWh/(m2 · an) et d’une durée devie de 30 ans. Le taux de croissance annuel du système global deproduction d’énergie solaire photovoltaïque est de 1 000 TWh/anentre 2000 et 2100 (soit une production de cellules de 75 000 MWc/an) et le cumul est stabilisé à 100 000 TWh/an au début duXXIIe siècle. De plus, on fait l’hypothèse qu’il n’y a pas de pertes dematériaux pendant la période de croissance, c’est-à-dire que le recy-clage et l’utilisation des matériaux minés est de 100 %.

Le tableau 5 résume les résultats du modèle. Dans la colonne 3, ildevient évident que toutes les technologies contiennent au moinsun élément pour lequel le besoin dépasse largement les réservesprésentes. L’indium est le plus critique de ces éléments et lesbesoins dépassent les réserves par un facteur 570. D’autres exem-ples de tels éléments sont Te (73), Ga (> 70), Se (20), Ru (5,6) et Cd(3,0). Il faut noter cependant, que les réserves sont définies par lesprix et les technologies d’aujourd’hui, et que ceux-ci peuvent chan-ger rapidement étant donné une augmentation rapide de lademande pour ces métaux. Par exemple, il y a beaucoup de dépôtsminéraux d’indium connus qui pour l’instant, ne sont pas considé-

_______________________________________


rés comme faisant partie des réserves, dûPour cette raison les auteurs ont estimé leune évaluation approximative des ressourla croûte terrestre jusqu’à 4,6 km en desPour plusieurs éléments la situation peutcette perspective (voir colonne 4).

Dans la colonne 5 on peut voir que touteau moins un élément pour lequel le taux (1 000 TWh/an) exigerait une forte augmeminière par rapport à l’exploitation actuellque les quantités de Ga et de Ge conteannuelle de cendre de charbon dépassentpar des facteurs de 500 et 150 respectivem

Les implications d’une plus forte demancar plusieurs de ces éléments sont des soude minerais et de métaux plus communs.

Tableau 5 – Besoins en matphotovoltaïques de 75 000 MW

Matériau1. Besoin

spécifique (1)(g/m2)

2. Besoin t(Gg

Zn 9,1 3

Cu 1,8

In 3,8 1

Se 4,8 1

Cd 0,19

Mo 10 3

Ga (9) 2,1

Sn 0,66

Cd 4,9 1

Te 4,7 1

Cu 0,009

Mo 10 3

Ru 0,1

Pt 0,05

Ti 1,2

Sn 5,5 1

(1) CIS : [7] [8] ; CdTe : [9] ; Grätzel : [10].(2) Besoin en matériaux pour cellules photovol(3) Estimé à partir de [11]. Les réserves de Ga o(4) Les ressources maximales sont estimées à

moyenne dans la croûte terrestre [13]. La désédiments suspendus de 15 Pg par année dcentrations dans la croûte terrestre. Pour Ruinférieure au manteau pour ces éléments, cla concentration d’indium est probablemen

(5) Les besoins annuels sont calculés comme 1(6) Données de [11].(7) Les fuites potentielles sont calculées comm(8) US bureau of Mines [15].(9) Le Ga pourra remplacer une partie du In da


au prix bas de l’indium. ratio entre les besoins etces maximales (0,01 % desous de la surface [12]). être critique même dans

s les cellules contiennentde croissance du modèlentation de l’exploitation

e. Il faut noter par contre,nues dans la production leur exploitation minièreent [6].

de sont difficiles à prévoirs-produits de l’extraction

Par exemple, étant donné

que le Ga est un sous-produit du traitement de la bauxite et l’In unsous-produit de l’extraction du Zn, il semble préférable, d’un pointde vue environnemental, de substituer l’In par le Ga dans les cellu-les CIS, parce que l’extraction de l’Al est moins nocive que celle duZn. L’exploitation minière d’éléments abondants tels que Zn, Al et Culimitera probablement la disponibilité sur le marché d’élémentsrares tels que Ga, In, et Ge.

Dû au fait que les besoins dépassent les réserves pour plusieurséléments, on doit s’interroger sur l’ampleur des augmentations deprix correspondants. Il est aussi intéressant de mesurer les effetsque cela pourra avoir sur le coût des modules photovoltaïques.Actuellement le coût de ces éléments rares représente seulementune petite fraction du coût des modules, même si on fait l’hypothèsed’un coût aussi faible que 0,5 €/Wc (voir la colonne 7). En outre il nesera pas sans intérêt de prévoir les conséquences géopolitiques dela distribution géographique des métaux stratégiques.

(0)

ériaux et indicateurs associés pour un scénario de production de cellules c/an dans un système global d’énergie solaire basé sur une des technologies

de couches minces

otal (2))

3. Besoin total / réserves (3)

4. Besoin total / ressources

maximales (4)5. Besoin annuel (5)/ minerai (6)

6. Fuites potentielles (7)/ désagrégation

naturelle (4)

7. Coût du matériau (8)

(base de 0,5 €/Wc)(%)

Cellule CIS

000 0,02 0,000 23 0,004 2 0,095 0,012

590 0,001 1 0,000 062 0,000 65 0,026 0,005 2

300 570 0,84 95 350 0,69

600 20 0,17 7,7 72 0,067

63 0,12 0,003 4 0,032 1,4 0,000 56

400 0,62 0,012 0,31 5,1 0,081

700 > 70 0,000 24 190 0,1 1,1

Cellule CdTe

220 0,037 0,000 58 0,01 0,24 0,005 3

600 3 0,088 0,82 3,7 0,014

600 73 0,38 86 160 0,36

3,0 5,70 × 10−6 3,20 × 10−7 3,30 × 10−6 0,000 13 0,000 26

400 0,62 0,012 0,31 5,1 0,081


Cellule Grätzel

33 5,6 0,29 56 120 0,056

17 0,56 0,001 3 1,3 0,53 0,94

400 0,001 4 4,20 × 10−7 0,001 6 0,000 18 0,021

800 0,31 0,004 8 0,087 2 0,044

taïques produisant 100 000 TWh/an (insolation = 2 000 kWh/m2 par an et η = 15 %).nt été estimées à moins de 10 % de la quantité totale de Ga dans les réserves de bauxite et de zinc. 0,01 % du contenu total dans la croûte terrestre jusqu’à 4,6 km en profondeur [12] en utilisant la concentrationsagrégation naturelle est calculée en utilisant la concentration moyenne dans la croûte terrestre et le flux global deans les rivières du monde [14]. Pour quelques éléments il y a des grandes incertitudes dans l’estimation des con-, Pt et Te, la concentration dans le manteau est utilisée. D’après des évaluations, la concentration dans la croûte est’est-à-dire les contraintes pour ces éléments sont plus dures qu’énoncées dans le tableau. Par contre, la valeur det estimée à sa valeur inférieure. % du besoin total.

e 1/30 du besoin total (durée de vie de 30 ans pour les cellules photovoltaïques).

ns les cellules CIS. Ici nous avons calculé les besoins en Ga pour une substitution de 100 % de In par Ga.


TD 3 941 − 10

2.3 Du laborat

Dans la course aux publiés par les organismvient de clairement dist

— les cellules de labpas de grille de collecte

— les mini-module(surface < 1 000 cm2), lsaurait pas nécessairem

Tableau 6 – Av

Filière et procédé

a-Si:H pin(PECVD)

Pro

Pro

Ra

a-Si-Ge:H pin-pin(PECVD)

Ré

a-Si:H pin-pin-pin(PECVD)

Sta

CdS-CdTe(CSVT)

Opso

Re

Bo

Pa

Trè

Proble

Co

Cd

Co

CdS-CIGS(CBD/coévaporation)

Trè

Po

Bo

Fa

CBD Chemical bath CIGS diséléniure de CSVT Closed space vPECVD Plasma enhanc

ES ____________________________________________________________________________________________________________

(0)

antages, inconvénients et performances des trois filières les plus matures industriellement

Avantages Désavantages Performances photovoltaïques stabilisées(surface d’ouverture)

Performances Laboratoire Pilote Commercial

cédé basse température Faibles rendements PV Rendement (%) 12,70 9,80 6,68

cédés bien maîtrisés Dégradation sous lumière – 30 % Surface (cm2) 1 933 4 939

yures laser au point Très faibles vitesses de dépôt Quand 1992 1990 1988

Précurseurs dangereux Qui Sanyo Solarex ARCO Solar

Procédés sous vide secondaire

Présence de pin-holes

ponse dans le rouge améliorée Dégradation sous lumière – 18 % Rendement (%) 8,50 6,95

Coût élevé du germane Surface (cm2) 1 200 10 125

Structure complexe (14 interfaces) Quand 1990 1996

Qui Fuji Electric Solarex

bilité améliorée Dégradation sous lumière – 12 % Rendement (%) 13,50 7,70 6,32

Structure très complexe (20 interfaces)

Surface (cm2) 0,27 4 095 10 125

Quand 1996 1996 1996

Qui USSC Kaneka USSC

timum band gap pour spectre laire

Utilisation du Cd et de ses composés Rendement (%) 16,00 9,20 7,25

ndements PV corrects Ressources en Te limitées Surface (cm2) 1 3 360 7 200

nne stabilité Recyclage nécessaire Quand 1997 1997 1994

rfaite stœchiométrie Difficultés avec le contact arrière Qui Matsushita GoldenPhoton

SCI inc

s grandes vitesses de dépôt Couche fenêtre CdS nécessaire

cédé de fabrication compati- industrie du verre

ût potentiel le plus faible

Te composé inerte

nfiguration verre en superstrat

s bons rendements PV Forte sensibilité à l’humidité Rendement (%) 18,80 14,70 7,88

ssibilité de tandem Procédé de dépôt sous vide Surface (cm2) 1 20 1 269

nne stabilité Faibles vitesses de dépôt Quand 1998 1999 1998

ible coût potentiel Rareté de l’indium Qui NREL ASC Siemens


oire au produit commercial

rendements, afin d’apprécier les résultatses de recherches à leur juste valeur, il con-

inguer :oratoire (s < 1 cm2) qui n’ont le plus souvent ;s de recherche et développement

e plus souvent non encapsulés, que l’on neent produire économiquement ;

— les modules prototypes encapsulés et fiabilisés et enfin lesmodules commerciaux.

Tenant compte du fait que les rendements des modules cristallins(rendement cellules) et en films minces (rendement d’ouverture) nesont généralement pas comptabilisés de la même façon, il fautramener toutes les performances de rendement à la puissance parunité de surface d’ouverture.

Pour illustrer les difficultés de passage d’une catégorie à l’autre,nous rappelons qu’une technologie mature telle que celle du sili-cium monocristallin a un rendement théorique de 27 %, les meilleu-res cellules de laboratoire 24,4 % (UNSW), le meilleur module pilote

Uppsala Solar

Encapsulant frontal requiert traite-ment UV

depositioncuivre, d’indium et de galliumapour transported chemical vapour deposition

_______________________________________


d’un pied carré, 21,6 % (Sun Power), le me15,3 % (Saturn, BP Solar), et les produits de12,5 (Photowatt) et 14,5 % (Photovoltech).

L’écart de 15 % entre la théorie physiquest le résultat d’un compromis entre les pet le coût économique de production. Lacristallin a d’abord profité des connaissannique. Compte tenu des faibles taux de rfallu plus de 15 ans d’efforts en interne, et ments publics, pour développer et optimisquement mieux adaptés aux grandes sdepuis 1997 que les industriels commen« développement de procédés » pour sérdes méthodes de production de masse trègie de l’actionnaire canadien ATS de Photoparfait exemple.

Une technologie non mature (bien queque le CdTe, a un écart encore plus grandque (22 %), les cellules de laboratoire (15,8sity) et les produits commerciaux (7,5 %, Frencontrées dans les pilotes industriels nogné une règle d’or : ne jamais mettre en pron n’est pas tout à fait sûr. Photon Powappris à ses dépends au début des annéesau prix fort sur son site de Fairfield de 199

2.4 Récapitulatif

Dans le tableau 6 enfin, nous récapitinconvénients et les performances des troles plus matures industriellement.

Parmi les filières couches minces en coCIGS qui donne les meilleures performantoire (18,8 % sur 1 cm2, NREL, déc. 98), auratoire (mini-module de 16,5 % sur 20 cindustriel (modules commerciaux de 40 129 × 33 cm2).

La disponibilité et les coûts des mparagraphe 2.2. À cause de l’indium, c’est plus de problèmes à long terme. Cependames limités projetés dans le plus ambitiaucune inquiétude à avoir d’ici 2020.

La productivité des machines n’est pas trnes de coévaporation du CIGS, elle est trèsde dépôt électrolytique du CdTe (1 µm/h) eles techniques VT (vapour transport), CSVtransport) et CSS (Close spaced sublimdépôts de CdTe (0,1 à 1 µm/s).

L’impact sur l’environnement a paragraphe 2.2 ; on y a montré que les tauxacceptables sont probablement très inférgrégation naturelle. Il est cependant impotions économiques et technologiques pourrecyclage. Des procédures de recyclage adÉtats-Unis.

Bien que la filière silicium amorphe soit ne peut pas passer par pertes et profits filière par des sociétés aussi prestigieuseSanyo, Kaneka ou Solarex. Nous pensonsseul, même en jonction tandem a un averendement photovoltaïque insuffisant.

Associé à du silicium cristallin comme leil donne d’excellents résultats (les HIP 190 BE de 190 W à 16,1 % sont en effegories).


illeur module commercial grande production entre

e et la réalité industrielleerformances potentielles technologie du siliciumces de l’industrie électro-entabilité, il lui a ensuiteêtre aidé par des finance-er des procédés économi-urfaces. C’est seulementcent à sortir de la phaseieusement s’intéresser às automatisées. La straté-watt en France en est un

très prometteuse), telle entre rendement théori- %, South Florida Univer-irst Solar). Les difficultésus ont en tous cas ensei-

oduction un procédé donter (filiale de Total) l’avait 1980 et BP Solar l’a payé8 à 2002.

ulons les avantages, lesis filières couches minces

mpétition, c’est la filièreces au niveau du labora-

niveau du pilote de labo-m2, ASC), et au niveau

W Shell Solar, 9,4 % sur

atériaux a été vue aula filière CIGS qui pose lent, compte tenu des volu-eux des scénarii, il n’y a

ès bonne pour les machi- faible pour les méthodes

Le silicium microcristallin n’a pas encore fait ses preuves auniveau d’un produit industriel, les vitesses de dépôt étant troplentes.

La filière CdTe a un formidable potentiel industriel grâce auxvitesses de dépôt très élevées, à la configuration en verre supers-trat, et au coût de production le plus faible pour des rendementsphotovoltaïques corrects. Malheureusement le matériau CdTe nepassera probablement pas la barrière environnementale danscertains pays.

Les cellules Grätzel ne sont pas fiables et encore trop loin de lamaturité pour les envisager à court terme.

Aussi, la filière la plus pertinente reste à notre avis la technologieCIGS qui combine le meilleur compromis de haut rendement, debonne stabilité et de faible coût potentiel sans offenser l’environ-nement.

3. Conclusion

Le marché des systèmes photovoltaïques autonomes pour les-quels la comparaison au coût de l’électricité du réseau ne se posepas, pourrait se satisfaire longtemps de la technologie des cellulesphotovoltaïques en silicium cristallin, dont le coût baisse petit àpetit.

Nous estimons en effet que dans les étapes du processus de pro-duction de cellules classiques, conduisant de la charge de siliciumau module solaire, les baisses de coût résulteront principalement dela courbe d’apprentissage déjà constatée, suivant laquelle les coûtsde fabrication diminuent de 20 % chaque fois que double la produc-tion cumulée. Ajoutée à une meilleure organisation de la productionet à une automatisation des machines et des transferts, cette courbedevrait conduire à des coûts asymptotiques de 1,5 €/Wc pour uneproduction mondiale cumulée de 20 GWc en 2010. Cette limiteasymptotique de coût permettrait de produire de l’électricité à0,33 €/kWh en systèmes distribués et 0,16 €/kWh en systèmescentralisés.

Elle ne leur permettra pas de rendre compétitifs les systèmesconnectés aux réseaux des pays développés. D’un point de vuepurement économique, et pas seulement sur le court terme, il sem-ble que l’énergie éolienne ait beaucoup plus de chances de pouvoirprofiter de la déréglementation européenne. Mais d’un point de vuesocial, malgré son très lourd handicap de coût, il semble que le pho-tovoltaïque (PV) garde des atouts certains pour le long terme. Lepremier est d’ordre géographique : contrairement au gisementéolien relativement limité, le soleil brille partout avec des différen-


t elle est excellente pourT (Close spaced vapour

ation) utilisées dans les

été couvert dans le de fuite écologiquementieurs aux taux de désa-rtant de créer des incita- faciliter un taux élevé deaptées existent déjà aux

en recul actuellement, onles choix faits pour cettes que ECD, Canon, Fuji, cependant que le a-Si:Hnir limité à cause de son

fait Sanyo (procédé HIT),modules commerciauxt champions toutes caté-

ces minimes suivant les régions. Le second est d’ordre culturel : eneffet, un des aspects les plus frappants du solaire photovoltaïque estson pouvoir d’attraction auprès du grand public ; cela tient au faitque le solaire PV est à la fois perçu comme la plus propre et la plusnoble des énergies alors que sa simplicité la met à la portée de toutle monde. Dans un monde où s’accroît chaque année la sensibilité àl’environnement et au développement durable, tout citoyen peutapporter sa contribution personnelle en équipant sa propre maisond’un générateur propre et pérenne. Il n’est donc pas surprenant queles programmes de systèmes photovoltaïques connectés au réseauaient commencé dans les pays à forte sensibilité écologiste.

Concernant l’avenir du photovoltaïque comme source d’électri-cité dans les pays industriels, se posent les questions suivantes :

— comment traiter à l’avenir une électricité encore de 4 à 8 foistrop chère comparée à d’autres sources d’électricité verte, et qui necontribue qu’à environ 0,02 % de la consommation totale ?

— sur quels critères des consommateurs avertis décideront depayer une étiquette verte PV si d’autres sources d’électricité vertescoûtent 6 fois moins cher ?

— doit-on s’engager dans des programmes européens de recher-che et développement massifs pour baisser les coûts des modules


TD 3 941 − 12

PV grâce à de nouvelleminces actuellement autiels de coûts industriel

Des percées nouvellela marge de progrès tecphotovoltaïques en filmfilières à bas coût rendaà moins de 150 €/m2 esétroite collaboration enl’industrie.

Concernant les coûtspour des usines de granévaluations américaine1 000 000 m2/an (100 Mà 100 €/m2 (dont 54 €/m10 % (1 €/Wc), et que130 M€.

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[5] ANDERSSON (B.), A(J.), KARLSSON (S.) tute of Physical ResUniversity of Technoversity, Sweden. – Mglobal energy scenasolar cells. World Rgress, Denver, 15-21

ES ____________________________________________________________________________________________________________

s générations de cellules solaires en films stade du laboratoire et qui ont des poten-

s inférieurs à 1 €/Wc ?

Récapitulant les avantages, les inconvénients et les performancesdes trois filières couches minces les plus matures industriellement,nous pensons que la filière CdTe avait un formidable potentiel

s sont donc indispensables ; il apparaît quehnique disponible sur les filières de celluless minces est importante. La mise au point dent réaliste un objectif de 15 % de rendementt déjà commencée en Allemagne grâce à unetre l’université, les centres de transfert et

prévisibles des modules en couches mincesde taille, en retrait assez net par rapport auxs, nous prédisons qu’une usine de capacitéWc) pourrait produire en 2010 des modules2 de coût direct) avec des rendements PV de cela nécessiterait un investissement de

industriel grâce aux vitesses de dépôt très élevées, à la configura-tion en verre superstrat, et au coût de production le plus faible pourdes rendements PV corrects. Malheureusement le matériau CdTe nepassera probablement pas la barrière environnementale dans cer-tains pays. Pour l’instant, il semble que la filière la plus pertinentepour se lancer dans la phase d’un pilote industriel est la technologieCIGS par coévaporation qui combine le meilleur compromis de hautrendement, de bonne stabilité, de flexibilité de substrat et de faiblecoût potentiel sans offenser l’environnement.

Un plan renouvelé de recherche et développement sur les cellulesphotovoltaïques trouverait en France sa justification dans les effortsvisant à rendre compétitifs les systèmes photovoltaïques connectésau réseau et intégrés au bâti. Mais l’État français ayant, jusqu’à fin1999, délibérément choisi de n’être pas présent sur ce segment demarché, il n’est pas surprenant que les recherches sur les couchesminces n’y aient pas été très favorisées.

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