PHOTOPILES SOLAIRES

PHOTOPILES SOLAIRES

Les crises successives du pétrole (avec un prix du baril multiplié par 5 en 1973 pour retomber de moitié en 1981) et l’accroissement continuel de la demande d’énergie dans tous les pays du monde (qui suit une loi inexorablement linéaire en fonction de l’élévation du P.I.B.) ont conduit les pays industrialisés à rechercher et à développer de nouvelles sources d’approvisionnement. Après la civilisation du «tout-charbon» (XIX^e s.) et du «tout-pétrole», nous nous acheminons vers celle du «tout-électrique», c’est-à-dire principalement le nucléaire, car la production d’hydroélectricité ne peut plus guère progresser, faute de sites, et il est préférable de ne plus brûler de gaz, charbon ou pétrole dans les centrales, afin de ne pas aggraver la pollution et contribuer à l’effet de serre. Un premier incident nucléaire grave à Three Miles Island aux États-Unis et une catastrophe à Tchernobyl en ex-U.R.S.S. ont fait prendre conscience au monde des risques écologiques majeurs que fait courir à l’humanité l’accélération constante de la consommation énergétique.

Dans ce contexte, parmi toutes les énergies renouvelables, l’énergie solaire photovoltaïque a de quoi séduire, surtout si on regarde son rendement de conversion énergétique (c’est-à-dire le rapport de l’énergie électrique produite sur l’énergie primaire fournie, ici rayonnée par le Soleil), qui est à plus de 20 p. 100 en laboratoire et à 15 p. 100 en production industrielle sans concentration. Le rendement d’un système fondé sur la combustion d’un minerai fossile est au mieux de 30 à 35 p. 100, c’est-à-dire au niveau de ce qu’on sait faire en photovoltaïque avec la concentration du rayonnement solaire, de sorte qu’on peut raisonnablement penser que l’énergie électrique d’origine solaire pourra devenir rentable au XXI^e siècle. Ce fleuron des énergies renouvelables, avec son image de haute technologie, va-t-il réussir à s’imposer et, pourquoi pas, devenir l’énergie du III^e millénaire?

1. Historique

En 1839, Antoine Becquerel publie un Mémoire sur les effets électriques produits sous l’influence des rayons solaires dans une pile constituée par des électrodes de platine et de cuivre oxydé plongeant dans une solution électrolytique acide. Cette pile est capable de fournir un courant dès l’instant où elle est éclairée. En 1877, W. G. Adams et R. E. Day découvrent l’effet photovoltaïque du sélénium.

Depuis cette date, les recherches n’amenèrent pas de grands progrès, mais, en 1940, Adler, reprenant une idée émise par Garrison en 1923, montre que la tension de circuit ouvert d’une pile varie comme le logarithme de l’intensité d’illumination, alors que le courant varie d’une façon linéaire (Auwers et Kerschbaum). R. S. Ohl décrit, en 1941, la première réalisation d’une jonction p-n dans le silicium, à effet photovoltaïque, mais il faut attendre 1955 pour que des chercheurs des Bell Telephone Laboratories (États-Unis), C. S. Fuller, G. L. Pearson et M. B. Prince, annoncent la mise au point d’une cellule dont le rendement de conversion énergétique (c’est-à-dire le rapport de l’énergie électrique produite sur l’énergie rayonnée incidente) atteint 6 p. 100, marquant ainsi véritablement la naissance de la photopile solaire. Par la suite, le développement des techniques utilisées dans l’industrie des semi-conducteurs (redresseurs et transistors) a permis de faire progresser la qualité des matériaux utilisés et des structures. Cela arrive au bon moment, c’est-à-dire juste à la naissance de l’industrie spatiale qui cherche des solutions nouvelles pour alimenter ses satellites. Dès 1959, les Américains lancent un satellite Vanguard qui est alimenté par des piles photovoltaïques. Tous les grands laboratoires s’intéressent à cette nouvelle technologie, et, en 1960, M. Rodot et H. Valdman réalisent la première cellule photovoltaïque au Centre national de la recherche scientifique (C.N.R.S.).

Quelques années plus tard, en 1973-1974, en pleine crise pétrolière, on se précipite sur toutes les filières de substitution aux énergies fossiles. Parmi les énergies renouvelables envisagées, la production directe d’électricité par l’effet photovoltaïque est en bonne place. On disposait, en effet, de photopiles à base de silicium monocristallin d’assez bon rendement (14 p. 100), héritées des applications spatiales, à un prix de l’ordre de 500 à 1 000 francs le watt crête (Wc), c’est-à-dire sous le soleil de midi, et d’une capacité de production de quelques kilowatts crêtes (kWc) par an. La question fut de fabriquer massivement des photopiles fiables à bon marché et de rendement acceptable. C’est ainsi que le marché a dépassé le mégawatt crête (MWc) dès 1978 et 20 MWc en 1985, pour atteindre 50 MWc en 1992.

L’ambiance est à l’optimisme, car l’essor de la microélectronique, qui utilise également le silicium, contribue à la diminution du coût de ce matériau (d’un facteur 10 tous les six ou sept ans).

Sous l’impulsion de laboratoires, de nombreuses innovations ont été préconisées par les chercheurs pour la structure de collecte des charges par la photopile et sur l’emploi d’autres matériaux de base que le silicium. En effet, la palette des matériaux semi-conducteurs à mettre en œuvre peut être extrêmement large si on se tourne vers les matériaux composés. De plus, on est expérimentalement encore souvent loin des rendements théoriques. Tout cela a stimulé la recherche, indépendamment des fluctuations du prix du pétrole, au niveau de l’enthousiasme des chercheurs et des ingénieurs, mais malheureusement pas au niveau des marchés.

2. Principe de fonctionnement

Gisement solaire

Les photopiles sont des composants électroniques à semi-conducteurs qui, lorsqu’ils sont éclairés par le rayonnement solaire, développent une force électromotrice capable de débiter un courant dans un circuit extérieur. Leur fiabilité et leur faisabilité ont été largement prouvées depuis les années 1960, puisque la plupart des satellites artificiels utilisent ces dispositifs pour tirer directement leur énergie du rayonnement solaire (qui atteint 1,35 kW/m² par seconde hors de l’atmosphère). Sur terre, l’absorption préférentielle par l’atmosphère de certaines longueurs d’onde modifie quelque peu le spectre solaire, mais l’énergie fournie est toujours importante, non polluante, inépuisable et assez uniformément répartie à la surface du globe. En effet, l’énergie annuelle globale ne varie que d’un facteur 2 des régions nordiques aux régions les plus favorisées, souvent tropicales et désertiques (fig. 1).

Les spécialistes du photovoltaïque utilisent comme unité de référence la puissance crête (maximale) débitée par une photopile à 25 ⁰C sous une puissance lumineuse incidente fixée, pour les tests d’évaluation, à 1 kW/m². La distribution spectrale du rayonnement solaire dépend de l’épaisseur de l’atmosphère à traverser (Air Mass: AM). On utilisera, par exemple, AM0 (hors atmosphère) pour les applications spatiales et AM1, ou AM1,5, pour les applications terrestres pour lesquelles la photopile est placée au niveau de la mer dans des conditions d’éclairement qui correspondent à un ciel parfaitement clair et dégagé, sous un soleil de midi au zénith (90⁰) pour AM1 ou d’inclinaison (face=F0019 力 42⁰) pour AM1,5 (c’est-à-dire pour un rayonnement traversant 1 ou 1,5 fois l’épaisseur de la couche atmosphérique). Plus le nombre d’unités de masse atmosphérique sera élevé, plus le spectre solaire se décalera vers le proche infrarouge.

En revanche, l’utilisateur sera évidemment plus intéressé par le prix du kilowattheure, seule unité qui lui permette de comparer le prix de l’énergie solaire à celui de l’énergie fournie par le réseau ou par d’autres sources. Le passage de la puissance crête (disponible à midi) à l’énergie (journalière ou annuelle) disponible n’est pas simple, puisqu’il faudra tenir compte de la durée de l’ensoleillement local.

Conversion photovoltaïque

La structure la plus simple d’une cellule photovoltaïque comporte une jonction entre deux zones dopées différemment d’un même matériau (homojonctions p-n) ou entre deux matériaux (hétérostructures). La moins épaisse, ou celle de largeur de bande interdite la plus grande, est soumise au flux lumineux.

Chacune des régions est reliée à une électrode métallique au moyen d’un contact ohmique de faible résistance. Le principe de fonctionnement, relativement simple, peut être décomposé en deux parties: l’absorption de photons et la collecte des porteurs de charge créés.

Absorption des photons

Soit une cellule illuminée par un flux de photons d’intensité J (h 益 ). Selon leur énergie, les photons sont réfléchis (R = coefficient de réflexion du matériau), ou absorbés ( 見 = coefficient d’absorption), ou transmis (fig. 2). Les photons absorbés, seuls utiles à la génération de l’effet photovoltaïque, sont ceux dont l’énergie h 益 est supérieure ou égale à la largeur de bande interdite du matériau (E ^g = 1,1 eV dans le silicium). On définit ainsi une grandeur appelée rendement d’absorption 兀^a:

où d est l’épaisseur de la cellule. Dans le cas du silicium, 兀^a est de l’ordre de 40 p. 100.

L’énergie des photons absorbés sert partiellement à briser une liaison de valence, qui crée, de ce fait, une paire électron-trou susceptible de se mouvoir. L’énergie excédentaire est rapidement cédée au réseau cristallin sous forme de chaleur (phonons).

Collecte des porteurs

Les paires ainsi créées 漣 principalement au voisinage de la surface éclairée 漣 vont diffuser vers la face arrière sous l’action d’une force qui est liée à leur gradient de concentration (effet Dember). Un grand nombre d’entre elles se recombinent en chemin, suivant un phénomène inverse de celui de l’absorption, et sont perdues pour le processus de conversion. Les paires qui atteignent la zone de charge d’espace sont alors séparées: le champ électrique de la jonction accélère les électrons vers la région n et les trous vers la région p. L’accumulation de ces charges dans des régions où elles sont majoritaires donne naissance à une différence de potentiel aux bornes de la cellule en circuit ouvert (V^oc). Si les bornes sont fermées sur une résistance d’utilisation (R ^c), un courant I ^c s’établira dans le circuit ainsi constitué. Le courant maximal I ^sc est obtenu quand on court-circuite les bornes de la cellule (R ^c = 0). La cellule se comporte donc comme un générateur de puissance électrique, dont les caractéristiques sont résumées par la courbe courant-tension (fig. 3). La pente de la courbe au point V^oc représente l’inverse de la résistance série de la diode (1/R ^s), la pente au point I sc représentant l’inverse de la résistance shunt (1/R ^sh). Le courant I ^sc étant proportionnel au nombre de paires électron-trou collectées, on définit un rendement de collecte, en formant le rapport entre le courant I sc et le courant I size=1^凞 équivalent au flux total des photons incidents:

Pour le silicium, 兀^c est de l’ordre de 53 p. 100.

Rendement d’une photopile

La puissance fournie au circuit extérieur par la cellule éclairée dépend de la valeur de la résistance de la charge R ^c; cette puissance est maximale quand la surface grisée de la courbe de la figure 3 est maximale, soit V ^MI ^M. C’est pourquoi la quantité:

dite facteur de courbe , toujours inférieure à l’unité (généralement de l’ordre de 0,85), est importante pour l’efficacité de conversion, le rendement de la photopile étant défini par le rapport:

Pour une énergie totale incidente de 1 kW/m² (conditions AM1), le rendement d’une photopile silicium de structure simple (à jonction p-n comme celle décrite ci-dessus) aura un rendement qui ne dépassera pas les 20 p. 100. Les rendements théoriques de structures plus complexes (avec champ répulsif arrière et un minimum de pertes électriques en volume et en surface; cf. supra ) peuvent atteindre 25 à 27 p. 100, suivant l’estimation des pertes électriques inéluctables.

Caractéristiques théoriques

Le circuit équivalent simplifié d’une photopile (fig. 4) peut être décrit comme un générateur de courant égal à I ^sc, shunté par une diode qui a les caractéristiques de la cellule à l’obscurité. Dans ces conditions, l’expression générale du courant est:

où I ⁰ représente le courant de saturation de la diode (I ⁰ 力 10^–12 à 10^–13 A . cm^–2 pour une diode au silicium).

Dans le cas où R ^sh est très grand et R ^s négligeable, on obtient une expression approchée de la tension:

avec I ⁰ = 10^–12 A . cm^–2, kT/q = 0,025 V et I ^sc = 4 憐 10^–2 A . cm^–2. On trouve alors V^oc = 0,6 V. Les caractéristiques d’une photopile à simple jonction p-n sont données sur la figure 3.

Il faut noter que la diminution des pertes de recombinaison de surface par passivation de celles-ci des structures les plus sophistiquées (cf. infra ) permet de réduire le courant de saturation I ⁰ à des valeurs de l’ordre de 10^–13 A . cm^–2 et de porter la tension V^oc à presque 700 mV.

3. Photopiles à base de silicium

Nous considérerons successivement le silicium en fonction de son état cristallographique en allant de la forme la plus ordonnée (monocristalline) jusqu’à l’état le moins structuré, c’est-à-dire amorphe.

Silicium monocristallin

Jusqu’aux années 1980, les cellules solaires industrielles étaient toutes à base de silicium sous forme monocristalline.

Élaboration du matériau

Le silicium est très répandu à la surface de la croûte terrestre sous forme de silice (sable, quartz, etc.), et il est à la base de toute l’industrie électronique moderne, puisque diodes, transistors, circuits intégrés en font un large usage sous forme de plaquettes découpées dans des monocristaux de qualité électronique, c’est-à-dire dans lesquels la concentration en impuretés est inférieure à une partie par million. La production mondiale de silicium pour l’ensemble de l’industrie des semi-conducteurs (hors C.E.I.) a été de l’ordre de 10 000 tonnes en 1992, dont environ 10 p. 100 pour le photovoltaïque.

Ce silicium est obtenu par réduction de la silice dans un four électrique, ce qui fournit le matériau dit «métallurgique» dont la pureté est d’environ 98 p. 100. Celui-ci est purifié à son tour, sous forme de gaz (plus facile à purifier), de trichlorosilane SiHCl³ ou de silane SiH⁴. Après pyrolyse de ces derniers, le matériau obtenu sert de produit de départ pour la monocristallisation par la méthode de Czochralski. Il faut noter qu’en partant de 1 kg de silice on n’obtient pas plus de 100 g de silicium monocristallin pour une dépense énergétique considérable, de l’ordre de 1 800 kWh. De plus, la moitié de ce monocristal sera perdue au cours de la découpe en tranches.

Le matériau est employé sous forme de monocristaux de 10 à 20 cm de diamètre, découpés en tranches de 250-300 猪m d’épaisseur. Il est généralement de type p, c’est-à-dire dopé par un élément de la colonne III du tableau périodique, essentiellement le bore, à une concentration comprise entre 10¹⁶ et 10¹⁷ atomes/cm^–3, de façon à présenter une résistivité de l’ordre de 0,1 à 1 行 . cm. Ce choix résulte d’une résistivité la plus faible possible (pour avoir une circulation aisée des charges générées sous éclairement solaire) et de la dégradation très rapide de la longueur de diffusion des porteurs photogénérés, par effet Auger notamment, lorsque le dopage croît.

Par la suite, il faut encore créer une barrière de potentiel nécessaire à la collecte des charges, ce qui nous amène à la structure des photopiles et à son évolution.

Évolution de la structure de la photopile

La figure 5 montre l’évolution du rendement de conversion énergétique des photopiles à base de silicium monocristallin, de leur origine à nos jours. Ce qui frappe dans cette courbe, c’est l’existence de deux périodes de fort accroissement du rendement, des années 1950 à 1960 et depuis 1985. Cela est dû à des améliorations sensibles du matériau de base, à une meilleure compréhension des phénomènes de pertes par recombinaison de porteurs en volume et en surface, entraînant une sophistication progressive du dispositif ainsi que cela est schématisé sur la figure 6, qui donne l’évolution du dispositif de la structure la plus simple (a) de Kingsbury et Ohl en 1952 à celle qui détient le record du monde de rendement (e), c’est-à-dire la structure développée par M. A. Green de l’université de South Wales (Australie).

La première phase d’accélération du rendement de conversion correspond aux dispositifs à simple jonction p-n, proposés par les Bell Labs en 1954 (b). Ceux-ci ont évolué, dans les années 1960, vers la structure représentée en (c), d’abord pour les applications spatiales, et qui a été très longtemps la structure type des photopiles à applications terrestres. Elle est encore représentative d’un certain nombre de cellules industrielles.

Dans tous ces dispositifs, le contact redresseur est obtenu par diffusion thermique d’une impureté de type n, généralement du phosphore, par barbotage d’un gaz neutre dans un liquide de POCl³ qui circule dans un tube ouvert de diffusion pouvant contenir un grand nombre de plaquettes (plusieurs centaines), de façon à créer une jonction n-p au lieu de la jonction p-n d’origine. En effet, on préfère utiliser en photovoltaïque un substrat dopé p (par introduction de bore dans le bain fondu de silicium) en raison de la plus grande mobilité des électrons qui seront les porteurs minoritaires dans un matériau dopé bore.

La cellule est ensuite recouverte d’une grille métallique d’évacuation des charges et reçoit une couche antiréfléchissante afin d’éviter les pertes de lumière par réflexion en surface. C’est cette dernière qui donne l’aspect bleu foncé aux cellules.

Cette filière monocristalline à structure simple a conduit à des rendements de conversion qui étaient typiquement de 12 à 14 p. 100 dans l’industrie et de 17 à 18 p. 100 en laboratoire. Mais, compte tenu d’un prix du silicium qui entre pour plus de 50 p. 100 dans le coût final du watt crête, cette filière a semblé être condamnée, à l’aube des années 1980, au profit de matériaux moins coûteux comme les multicristaux ou les amorphes hydrogénés. Mais, grâce à des progrès spectaculaires aux alentours de l’année 1985, le débat du choix du substrat de silicium est relancé. En effet, sous l’impulsion de M. A. Green, la structure des années 1975 (d) 漣 qui incluait déjà une texturisation de la surface dans le but de diminuer les pertes par réflexion (cellules noires), une grille plus fine qui diminuait le taux d’ombre en utilisant les techniques de photolithographie de l’industrie de la microélectronique et un champ répulsif arrière p⁺ introduit pour les photopiles spatiales (amincies pour des questions de rapport rendement/poids) 漣a été encore fortement améliorée par l’introduction des passivations de surface (couches d’oxydes de quelques dizaines de nanomètres), qui diminuent les recombinaisons des porteurs avant leur collecte dans les grilles du contact avant et au niveau du contact arrière. La structure qui détient le record du monde (23 p. 100) a de surcroît un double niveau de dopage de l’émetteur (élevé sous les contacts métalliques et plus faible sous l’oxyde afin d’augmenter l’efficacité de celui-ci) et un champ arrière ponctuel dans les zones en contact avec la métallisation (fig. 6 e).

Cette fois-ci, nous ne sommes plus très loin du rendement théorique qui se situe entre 25 et 27 p. 100 pour le silicium. Ce type de structure est malheureusement encore très cher, et les premiers panneaux réalisés par cette université australienne sont proposés à un prix de 1 000 dollars le watt crête pour un rendement de 20 p. 100.

Ces progrès de la filière à base de silicium monocristallin ont condamné la production d’un matériau de qualité solaire. En effet, avec de tels rendements de conversion obtenus avec une technologie aussi compliquée et chère (plus de 32 opérations ou phases dans l’élaboration du dispositif), le prix du matériau de base devient secondaire. Ces évolutions de la structure photovoltaïque ont permis de relancer la compétition de ce matériau traditionnel avec les substrats multicristallins ou polycristallins, qui, bien évidemment, peuvent également intégrer dans leur processus de réalisation du dispositif la quasi-totalité des raffinements proposés ci-dessus.

Silicium multicristallin

Dans un monocristal, les atomes sont rangés en ordre parfait suivant une structure périodique dans les trois dimensions, cela sur des distances très importantes à l’échelle atomique, puisqu’il est possible d’avoir des monocristaux de silicium d’un diamètre de 10 à 20 cm, longs de plus de 1 m. En revanche, dans un polycristal, les monocristaux sont de beaucoup plus faibles dimensions, séparés les uns des autres par des zones perturbées, les joints de grains. Dans cette structure, il n’est plus nécessaire que chaque cristal ait exactement la même orientation que son voisin. Si l’on obtient une structure en colonne, les rendements de conversion pourront être très proches de ceux qui sont obtenus avec des monocristaux, d’autant plus qu’on s’oriente vers des techniques de croissance qui favorisent la formation de gros cristaux (d’où leur appellation actuelle: silicium multicristallin), afin de limiter les effets néfastes des joints de grains. Dans cette technique, de grands blocs de silicium de plus de 100 kg peuvent être obtenus par refroidissement du sicilium en fusion contenu dans un moule de nature appropriée et suivant un gradient thermique bien défini.

Cette solidification directionnelle est plus rapide et moins coûteuse en énergie qu’une croissance d’un lingot monocristallin (de 24 à 48 heures, contre quelques semaines pour ce dernier). Cependant, il en résulte un matériau plus ou moins contraint, ou disloqué, et diversement contaminé par la nature du creuset utilisé (graphite ou quartz), des impuretés résiduelles de la charge de silicium. En effet, les industriels utilisent de plus en plus des rebus de l’industrie de la microélectronique tels que des têtes ou queues de lingots Czochralski (CZ).

Le premier matériau apparu dans ce domaine fût le Silso, développé par Wacker en Allemagne dès 1975 (actuellement commercialisé par A.E.G.), suivi, en France, par le Polix de la C.G.E.-Elf (en production chez Photowatt depuis presque dix ans) et par Eurosolare, en Italie, qui propose un matériau du type Crystalox (Grande-Bretagne).

Aux États-Unis, les matériaux les plus connus sont le Semix de Solarex et le Hem de Crystal Systems. Les matériaux japonais sont apparus plus récemment sur ce marché avec un produit d’Osaka Titanium Co. (O.T.C.) en creuset électromagnétique. En France, le Madylam de Grenoble explore également cette possibilité de tirage en creuset froid.

Les rendements de conversion, qui étaient de l’ordre de 8 à 10 p. 100 avant 1980, sont actuellement de 17,8 p. 100 pour une photopile de 2 cm 憐 2 cm et de 17,1 ou 16,4 p. 100 pour de grandes plaquettes de 10 cm 憐 10 cm ou de 15 cm 憐 15 cm² respectivement.

Les progrès des performances photovoltaïques s’expliquent par l’amélioration constante de la qualité des matériaux, mais également par l’accroissement des connaissances des défauts et des impuretés résiduelles des grains ayant précipité aux joints de grains. On sait parfaitement maîtriser leurs effets sur les propriétés électriques lors des étapes technologiques de préparation du dispositif.

On peut, par exemple, neutraliser l’activité électrique de la plupart des défauts cristallographiques et de certains éléments métalliques. Cependant, l’efficacité de cette neutralisation dépendra beaucoup de leurs possibles interactions avec des impuretés telles que le carbone et l’oxygène, selon leurs teneurs respectives dans les divers matériaux.

Il existe une multitude de techniques de passivation par introduction d’hydrogène atomique par plasma, implantation ionique ou nitruration. On peut également purifier les plaquettes par un effet de migration des impuretés lors d’un traitement thermique à haute température vers des sites situés en dehors des zones actives, où elles peuvent être piégées (phénomène plus connu sous sa dénomination anglaise de getter ). Par exemple, les industriels et les laboratoires européens associés dans un contrat financé par la Communauté européenne ont obtenu un rendement de 16,2 p. 100 sur un matériau Polix amélioré par un getter de longue durée, en utilisant une technologie proche de celle qui est développée pour les photopiles à haut rendement. Ils ont également obtenu 15,1 p. 100 en effectuant certaines étapes de diffusion thermique avec une nouvelle technologie qui utilise des fours à lampes. Il est à noter que cette valeur est également atteinte en pointe chez Photowatt sur des plaques de 10 cm 憐 10 cm.

Toutefois, le sciage de ces grands blocs (fig. 7) reste une opération onéreuse qui conduit également à une perte non négligeable de matière. Dans ces conditions, il n’est pas étonnant qu’on recherche depuis longtemps à réaliser directement du silicium pouvant être mis en œuvre sans recourir à des opérations de découpe. Ces matériaux constituent la famille des siliciums polycristallins autosupportés (rubans) ou déposés en couches minces sur un substrat approprié.

Silicium polycristallin

Bien avant le développement des cellules solaires terrestres, on avait tenté de préparer directement des monocristaux de germanium et de silicium en couches minces à partir d’un bain fondu, afin de supprimer l’usinage des matériaux. Dans le problème qui nous intéresse ici, seules les productions horaires et leur coût seront des facteurs déterminants pour le choix d’un procédé d’élaboration d’un matériau ou d’un autre. Nous pensons que l’introduction massive de silicium dans la technologie des photopiles en couches minces sera largement déterminée par le coût du silicium de départ, et c’est uniquement si ce prix reste élevé que ces matériaux pourront s’imposer massivement.

Silicium en ruban

Les techniques de production de silicium en rubans autosupportés ont été très séduisantes sur le plan technologique, qu’ils soient obtenus par capillarité entre deux lèvres de carbone ou par croissance sur un film ou une maille de carbone, ou encore par des techniques de centrifugation, cylindres ou disques, en rotation rapide. Ces rubans ont connu, jusqu’en 1990, de nombreux développements au niveau de la recherche et, pour certains d’entre eux, jusqu’à la conception de chaînes de production préindustrielles.

Cependant, toutes ces techniques «ruban» ont toujours été largement pénalisées par une vitesse de croissance linéaire (généralement de quelques cm par minute à quelques dizaines de cm par minute), imposée par les critères de solidification qui déterminent la taille des grains et la pureté du matériau par la ségrégation des impuretés. Cela impose également de conserver une charge de silicium électronique et des épaisseurs relativement épaisses (face=F0019 力 300 猪m) afin d’être autosupportés ou décollés de leur substrat, de sorte que leur compétitivité par rapport aux blocs multicristallins s’est amoindrie au cours du temps. Cela est dû, en premier lieu, à une utilisation de plus en plus fréquente de rebus de silicium électronique en tant que charge (environ 1 000 t sont disponibles par an, c’est-à-dire de quoi produire 50 MWc/an) et, en second lieu, au développement de scies à fils de grande capacité qui permettent une diminution des pertes et une réduction des épaisseurs des plaques (actuellement environ 200 猪m sont en production, avec une limitation mécanique de manipulation des plaques qui se situe à environ 100-120 猪m). Ces deux raisons ont condamné à ce jour les rubans, y compris le ruban EFG de Mobil Solar (États-Unis), bien que cette société, passée dans le groupe allemand ASE, ait tiré des nonagones de silicium (tubes creux à 9 faces de 10 cm de côté) pour augmenter la capacité de production à une vitesse de croissance donnée et ait tenté de réaliser en continu les photopiles en incorporant la diffusion du dopant du contact redresseur lors du refroidissement du ruban. Le seul espoir que nous entrevoyons pour les rubans, c’est leur utilisation comme substrat pour les films minces épitaxiés. Dans ce cas, la cristallinité et la pureté sont des facteurs moins importants, de sorte qu’ils peuvent être produits à une très grande vitesse et à un coût plus faible.

Silicium en couches minces

Dans ce cas, une couche mince de silicium polycristallin de quelques dizaines de micromètres d’épaisseur est déposée, par épitaxie, en phase solide ou liquide sur divers substrats de silicium pyrométallurgique peu purifié, quartz, céramique ou métal. En plus d’une réduction du coût, qui peut être plus ou moins pénalisé par le choix du substrat, les photopiles en couches minces permettent d’obtenir des rendements de conversion plus élevés qu’une photopile sur matériau massif, moyennant un confinement optique et un champ arrière répulsif pour les porteurs minoritaires; du fait que la distance qu’ils ont à parcourir est plus faible, on peut se permettre une pureté du matériau de base moindre.

Différentes techniques sont en compétition pour l’élaboration des films minces de silicium. La croissance par épitaxie en phase liquide (LPE) consiste à immerger un substrat en silicium (Si) dans un bain fondu de métal (indium, cuivre, fer, etc.) et de Si, et de réduire graduellement la température du bain d’une manière contrôlée (de 10 à 50⁰ C/h). Si un film dopé est souhaité, des traces de germanium ou d’arsenic sont ajoutées au bain. Des rendements de conversion de l’ordre de 15 p. 100 ont pu être obtenus en utilisant ces films comme base de la photopile. Le principal inconvénient de cette méthode est l’utilisation d’un substrat cristallin.

La technique bien répandue pour la réalisation de films minces de Si est le dépôt en phase vapeur (CVD). Elle consiste à chauffer un substrat à haute température (face=F0019 礪 600 ⁰C) en présence d’un gaz qui contient le silicium (silane ou chlorosilanes). La température sert à activer la dissociation du gaz et à favoriser le dépôt et la croissance. Cette technique a, par exemple, été utilisée pour la croissance épitaxiale de film Si dopé bore sur un substrat de Si métallurgique à 1 100 ⁰C. Des rendements de l’ordre de 12 p. 100 ont pu être atteints. Il faut cependant noter que les photopiles citées plus haut ne présentaient pas de champ arrière ni de confinement optique, ce qui laisse penser que des rendements bien plus élevés pourront être réalisés en incorporant ces deux paramètres au procédé de fabrication.

Il est également possible de faire croître des films Si ou SiGe en utilisant le recuit thermique rapide en phase gazeuse. Cette croissance CVD assistée par lampes (RTP-CVD) est fondée sur le concept d’un processus limité par la réaction: la température du substrat, plutôt que le flux de gaz, est utilisée comme «déclencheur» de la réaction CVD. Le substrat est chauffé uniquement pendant la durée du dépôt, ou d’une réaction de surface, et à des températures bien plus élevées que celles du gaz. Cette technique devrait également permettre de réaliser in situ l’ensemble des étapes du processus de fabrication des processus photovoltaïques en couches minces.

Silicium amorphe hydrogéné

Depuis 1975, des recherches intensives ont été entreprises pour utiliser du silicium non cristallisé, à l’état amorphe, dont les liaisons pendantes sont saturées par hydrogénation.

Ce matériau présente des coefficients d’absorption de la lumière nettement plus élevés que le silicium cristallin, de sorte que des couches de quelques centaines de nanomètres d’épaisseur sont suffisantes pour absorber une bonne partie du rayonnement solaire. La structure la plus simple d’une telle cellule, qui se compose d’une zone dopée bore, intrinsèque et dopée phosphore (p-i-n), est représentée sur la figure 8 a. Chaque élément peut être directement connecté en série (fig. 8 b) sans besoin de liaisons externes.

On peut également définir autant d’éléments que l’on désire sur une même plaque, grâce à l’utilisation industrielle de la gravure par laser de puissance, qui sépare les éléments par ablation de la couche métallique (généralement de l’aluminium), et de la couche de silicium amorphe par absorption dans cette dernière de l’énergie du faisceau laser (cf. les étapes de préparation de la figure 8 c).

Ces structures p-i-n ont été le plus souvent obtenues par des procédés de dépôt par plasma radiofréquence (fig. 9) dans des chambres uniques puis multiples afin de limiter les contaminations. Leurs rendements de conversion étaient de l’ordre de 4 à 6 p. 100 avant 1980, pour atteindre 10 à 12 p. 100 cinq ans plus tard sur de petites surfaces de quelques centimètres carrés et en laboratoire.

Le premier des deux plus importants problèmes rencontrés lors du passage de ces échantillons de laboratoire à des plaques industrielles de grande surface fut le contrôle du nombre de «trous» par unité de surface des couches de silicium amorphe [(a)Si], qui étaient autant de courts-circuits pour le dispositif final. De ce fait, les rendements industriels ont été d’un facteur 2, inférieurs à ceux des laboratoires. L’autre grand problème, encore d’actualité, est leur stabilité dans le temps. En effet, l’exposition à la lumière accélère le vieillissement du matériau. Cet effet de dégradation, lié à la cohésion des liaisons du silicium avec l’hydrogène, se stabilise en moyenne à un niveau proche des deux tiers de la puissance initiale, ce qui a poussé les chercheurs vers l’utilisation de doubles structures (p-i-n/p-i-n) qui permettent de réduire les épaisseurs des zones et, de ce fait, d’augmenter le champ électrique qui sépare les charges électriques photogénérées et de réduire ainsi les pertes par recombinaison de volume sur les centres réactivés par la lumière.

On s’est orienté, dès 1982, vers des structures de plus en plus complexes, telles que des hétérostructures formées de deux matériaux dont le premier a une largeur de bande interdite plus importante, comme les structures du type (a) SiC: H(a) Si: H (c’est-à-dire de carbure de silicium hydrogéné sur du silicium amorphe hydrogéné) et, aux environs de 1985, vers du (a) SiH déposé sur un substrat (a) SiGe: H (l’alliage avec le germanium donnant une largeur de bande interdite plus petite), ou déposé sur un substrat de silicium polycristallin, compte tenu des progrès de ceux-ci mentionnés précédemment.

Dans l’industrie, le marché du silicium amorphe est tout naturellement tourné vers les faibles et très faibles puissances, compte tenu des problèmes de stabilité évoqués plus haut. Les structures p-i-n ont envahi le domaine de la «gadgeterie» avec une grande panoplie de produits, allant des montres, des calculettes aux kits d’éclairage de jardin et aux lampes portables pour refuges, camping en brousse.

Sur le marché de la puissance, seules les petites installations, telles que le pompage d’eaux peu profondes, sont accessibles à l’amorphe. Peu de grandes installations, hormis celles consacrées aux tests de vieillissement, ont vu le jour.

Les performances des structures simples stagnent à moins de 10 p. 100, c’est-à-dire sous le seuil de rendement économique pour les applications terrestres. Seules les structures les plus complexes, de coût très élevé, dépassent ce seuil, de sorte que ces dernières sont encore loin d’être transférables dans l’industrie.

4. Photopiles à base de matériaux composés

En dehors du silicium, de nombreux matériaux semi-conducteurs peuvent être envisagés, qui sont en principe capables de donner des rendements de conversion élevés, voire supérieurs à ceux du silicium. Il s’agit essentiellement de semi-conducteurs binaires ou ternaires, employés sous forme d’homo-ou d’hétérojonctions, de diodes Schottky ou de structures M.I.S. (métal isolant semi-conducteur). Les filières les plus importantes de ces matériaux déposés en couches minces sont décrites ci-après.

Famille des chalcosites et chalcopyrites

Le sulfure de cadmium (CdS) a permis de préparer des cellules de faible coût dont l’élément sensible est le sulfure de cuivre (Cu²S) et la barrière de potentiel une hétérojonction. Bien que des rendements de l’ordre de 10 p. 100 aient été mesurés, ces photopiles n’ont connu que des échecs dans leur industrialisation, en raison de leur évolution lente dans le temps, qui se traduit par une dégradation progressive des performances, liée à la migration du cuivre.

Contrairement à la structure précédente, les hétérojonctions à base de cuivre, d’indium et de sélénium (CuInSe²) se sont rapidement révélées être plus stables dans le temps et ont permis de franchir, dès 1975, la barre des 10 p. 100 de rendement de conversion. En effet, le CuInSe² et l’ensemble des composés de chalcopyrite sont des semi-conducteurs qui ont un coefficient d’absorption très élevé, même pour des longueurs d’onde proches du seuil. Parmi les laboratoires en avance sur les matériaux de ce type, il convient de citer l’I.P.E. de l’université de Stuttgart (Allemagne) et l’université de Stockholm (Suède), qui détiennent le record actuel de 16,9 p. 100.

Composés II-VI

Parmi les autres composés des colonnes II-VI du tableau périodique, le tellurure de cadmium (CdTe) et le séléniure de cadmium (CdSe) se prêteraient bien à la réalisation de cellules en couches minces. Des problèmes de stœchiométrie, de vitesse de recombinaison en surface, de jonction superficielle limitent les rendements de conversion: plusieurs technologies ont été développées, allant de la structure M.I.S. par électrolyse à la structure la plus prometteuse, CdS/CdTe, également déposée par électrolyse ou par spray et sérigraphie.

Le record actuel de rendement est détenu par l’université de Floride du Sud (États-Unis), avec 15,8 p. 100. Du point de vue d’une tentative d’industrialisation, B.P. Solar est en tête, avec un peu plus de 10 p. 100 sur une surface d’environ 500 cm², et les premiers tests sur deux ans ne révéleraient pas de dégradation notable.

Composés III-V

Alors qu’il n’y a que deux semi-conducteurs dans le groupe IV (le silicium et le germanium), les composés III-V offrent la possibilité de faire croître presque une infinité de monocristaux. Il y a, par exemple, neuf composés binaires que combinent les éléments aluminium (Al), galium (Ga) ou indium (In) du groupe III avec des éléments du groupe V comme le phosphore (P), l’arsenic (As) ou l’antimoine (Sb). On peut réaliser un monocristal d’un composé III-V dopé n ou p avec une multitude de largeur énergétique de la bande interdite de 0,16 eV, pour l’InSb, à 2,24 eV, pour GaP. Ces composés, qui ont une absorption plus importante que le silicium, nécessiteront des épaisseurs moindres. Le record de rendement de conversion, pour une simple homojonction à base d’arséniure de gallium (GaAs), est de 21,7 p. 100 hors atmosphère et de 28,7 p. 100 sous forte concentration d’un rayonnement direct (200 fois AM1,5). Il est encore plus élevé pour des structures doubles, «tandem» réalisé sur un substrat de silicium, de germanium ou d’un composé ternaire tel que GaInP² ou AlGaAs sur GaAs. Les rendements respectifs, sous un soleil direct concentré ou hors atmosphère, des principales structures monolithiques ou en tandem, destinées aux applications dans le domaine des fortes concentrations ou dans l’espace, sont regroupées sur le tableau 1. Ces cellules n’ont pas connu d’industrialisation pour des applications terrestres, mais sont utilisées dans certains satellites.

5. Matériaux exploratoires et nouveaux concepts

Au fur et à mesure que les nouvelles structures passent progressivement du laboratoire au développement préindustriel et à la production, les chercheurs se tournent plus en amont vers de nouveaux matériaux, plus faciles à mettre en œuvre, ou très économiques, ou vers de nouveaux concepts, afin de faire reculer les limites théoriques du rendement de conversion.

Photopiles photoélectrochimiques

À base d’un matériau semi-conducteur transparent à la lumière du visible (d’énergie de bande interdite élevée) déposé en couche mince ou ultramince, nanocristalline, sur un substrat de verre conducteur, d’un film photosensible à base de ruthénium et d’un électrolyte approprié pour assurer le transport des charges, ces photopiles dépassent la barre des 10 p. 100 de rendement de conversion. Mieux adaptées aux courtes longueurs d’onde et à un éclairement diffus, elles souffrent encore de problèmes de stabilité.

Photopiles à absorption de photons d’énergie inférieure à la largeur de bande interdite

Du fait que le rendement de Carnot du système Terre-Soleil est de 95 p. 100 et que celui du rendement théorique des photopiles à bande interdite unique de 1,4 eV est au maximum de 30 p. 100, il reste encore des possibilités considérables de progrès, tout au moins sur le plan conceptuel, avant de se préoccuper de leur réalisation.

Les chercheurs envisagent, pour le futur, d’introduire, dans la bande interdite de la zone intrinsèque i d’une structure du type p-i-n, une multitude de puits quantiques afin d’absorber des photons de longueur d’onde de faible énergie (proche infrarouge) et de récupérer ainsi une fraction de l’énergie perdue par thermalisation (fig. 2). Les structures de ce type, envisagées pour GaAs, nécessitent de mettre en œuvre des techniques de croissance épitaxiale par jet moléculaire, de couches hyperfines (quelques monocouches) assurant un transport de charge par effet tunnel. La création d’une zone de plus forte absorption, dans une photopile traditionnelle à base de silicium, est également à nouveau envisagée, à condition, comme dans la structure précédente, de placer celle-ci dans une zone où règne un champ électrique élevé afin de limiter les pertes par recombinaison.

L’évolution des différentes filières technologiques de production des photopiles que nous venons de détailler faisant appel soit à des matériaux semi-conducteurs monolytiques du groupe IV, tel que le silicium, soit à des matériaux composés à partir d’éléments des deux colonnes voisines, sous forme massive ou en couches minces, dépendra énormément du marché photovoltaïque. Les premiers sont, évidemment, bien placés pour tout le marché des applications terrestres où la capacité de production et les coûts seront prépondérants, tandis que les seconds, de technologie plus sophistiquée, seront à réserver à des applications plus spécifiques telles que la concentration ou le spatial.

6. Marché photovoltaïque

Le photovoltaïque est la plus jeune des énergies renouvelables, son industrialisation à une échelle significative n’a qu’une vingtaine d’années. Il faut donc stimuler son marché pour que l’industrie devienne compétitive, grâce à l’effet des grandes séries, bien connu pour la plupart des produits industriels, où les progrès technologiques et le développement des marchés se cumulent pour faire chuter les prix.

Institutions

Des programmes ambitieux de recherche et de développement ont été lancés depuis le milieu des années 1970, tant aux États-Unis par le Department of Energy (D.O.E.) qu’au Japon par le ministère de l’Industrie et du Commerce international (M.I.T.I.) et en Europe par la Communauté économique européenne (C.E.E.). Parmi les nations de cette dernière, l’Allemagne se distingue avec des budgets d’incitation en provenance du ministère de la Recherche (B.M.F.T.), à la hauteur des programmes américains.

En France, le C.N.R.S. a lancé, avec l’aide de ses instituts propres, dès 1975, un Programme interdisciplinaire pour le développement de l’énergie solaire (Pirdes), et, en 1978, fut créé le Commissariat à l’énergie solaire (Comés) qui devait être le pendant du Commissariat à l’énergie atomique. Depuis 1981, ces organismes sont devenus le P.I.R.S.E.M. (Programme interdisciplinaire de recherches sur les sciences pour l’énergie et les matières premières) et l’Agence française pour la maîtrise de l’énergie (A.F.M.E.). En 1992, celle-ci est devenue l’Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (A.D.E.M.E.), et le programme du C.N.R.S. s’appelle depuis peu Écotech. Leur rôle principal est de coordonner l’ensemble des travaux des secteurs publics et industriels dans le domaine de l’énergie. Si, dans les années 1980, la dotation budgétaire était comparable à celle de l’Allemagne, aujourd’hui elle représente plus de 10 p. 100 de cette dernière et stagne autour des 40 millions de francs (c’est-à-dire l’équivalent du budget des Pays-Bas). Toutefois, l’accord signé en février 1993 entre l’A.D.E.M.E. et E.D.F. représente une note optimiste et marque les premiers pas de notre producteur national vers cette source d’énergie.

Industries

Les trois principaux pôles de production de photopiles sont les États-Unis, avec Siemens Solar Industries (qui a racheté, en 1989, Arco Solar), Solarex et Solec. En Europe, on compte cinq sociétés qui ont un niveau de production annuel qui dépasse le MWc, et, au Japon, trois (tabl. 2).

La figure 10 représente les cinq premières sociétés classées en fonction de l’importance de leur vente annuelle de photopiles (en MWc).

Malheureusement, le premier producteur français (Photowatt) n’apparaît plus dans ce classement (ses ventes n’ont pas dépassé 2,5 MWc en 1992). Vers le milieu des années 1980, il contrôlait 15 p. 100 du marché mondial, contre moins de 4 p. 100. La situation des industriels du marché de la faible puissance et de la gadgeterie (contrôlé à plus de 80 p. 100 par les Japonais), c’est-à-dire des sociétés Naps France et Solems, n’est pas meilleure. En effet, si la première résiste bien en raison de son appartenance au groupe finlandais Neste, la seconde a été contrainte de supprimer ses activités de recherche et de développement.

Cette marginalisation progressive du photovoltaïque français n’a pas pour cause un manque de compétence de notre industrie ou de notre recherche, mais elle trouve son origine dans le cumul des écarts de plus en plus importants du soutien public de recherche et développement par rapport aux autres pays industrialisés.

Le prix de vente des modules photovoltaïques a fortement baissé au cours de ces dernières années. Il se situe, au milieu des années 1990, entre 3,2 et 4,2 dollars par watt crête pour une grande quantité de modules (indiqué sur la figure 10 sous le nom de chaque industriel). On peut juger ainsi le chemin parcouru depuis vingt ans, où le prix se situait autour des 100 dollars par watt crête.

Strategies Unlimited (États-Unis) prévoit également la poursuite de l’accroissement du marché mondial, malgré la crise que nous traversons, qui nous amènerait des 50 MWc actuels aux environs de 100 MWc dès 1995, et, dix ans plus tard, à 1 000 MWc (tout juste la puissance d’un réacteur nucléaire). Il convient toutefois de noter que la surcapacité des moyens de production par rapport à la vente (plus de 60 p. 100) a incité certaines compagnies à brader les prix pour s’attribuer les marchés, de sorte que les plus fragiles risquent d’être éliminées rapidement. Cela nuirait plus tard à une saine concurrence et à un progrès constant des techniques.

Domaines d’utilisation

On peut diviser les applications de l’énergie photovoltaïque en trois grands domaines.

Applications terrestres sans concentration

Le coût d’une extension d’un réseau centralisé d’électricité augmente en fonction de la distance, et sa rentabilité dépendra beaucoup de la puissance à raccorder. Dans les zones rurales des pays en voie de développement ou à faible densité de population, l’électricité photovoltaïque apparaît de plus en plus comme la solution la plus satisfaisante pour les petites quantités d’énergie. L’électrification des populations rurales dans les pays en développement ne progresse que très lentement. En raison d’un pouvoir d’achat limité des abonnés, certains des réseaux déjà installés ne sont utilisés qu’à 10 p. 100 de leur capacité, alors que les pertes en ligne peuvent dépasser 15 p. 100. C’est ainsi qu’au Moyen-Orient et en Asie le pourcentage d’électrification des zones rurales est passé de 15 à environ 20 p. 100 en quinze ans et est resté totalement inchangé à 4 p. 100 pour les pays subsahariens.

Les besoins de ces populations peuvent parfaitement être couverts par des photopiles pour alimenter des lampes, des pompes à eau, des téléviseurs et des réfrigérateurs. L’installation de minicentrales de recharge d’accumulateurs est à développer, d’autant que leur usage y est déjà très répandu. La rentabilité d’une installation photovoltaïque par rapport à un petit groupe Diesel est déjà assurée (fig. 11). On compte un peu plus de 3 000 pompes solaires installées et un millier de réfrigérateurs. C’est encore très peu par rapport aux besoins.

En résumé, grâce à des aides de la Banque mondiale et à des coopérations, le minimum d’électricité indispensable à la vie «moderne» pourra être apporté par les photopiles et contribuer ainsi à stopper l’immigration des populations des zones rurales vers des villes surpeuplées.

Dans les pays développés, de petits convertisseurs d’énergie photovoltaïque peuvent être utilisés pour fournir certains services dans le domaine des loisirs avec le caravaning et la plaisance, dans les nombreux petits systèmes où l’on peut remplacer les piles chimiques 漣 lampes de jardin, systèmes de veille électronique, de surveillance. L’exemple typique est la calculette de poche, pour laquelle l’énergie est de plus en plus souvent fournie par de petites barrettes de photopiles à base de silicium amorphe qui fonctionnent sous les néons. Ce type d’utilisation s’est fortement développé (plus de 100 millions de calculettes sont sur le marché), bien que le rendement de conversion n’est que de quelques pourcents et que le prix du kilowattheure est au moins 100 fois supérieur à celui du réseau.

D’autres applications sont économiquement rentables dans le domaine public 漣 par exemple, l’équipement de refuges de montagne, de systèmes de communication ou des relais herziens (plus de 75 000 installés dans le monde). Dans les zones isolées, et à titre expérimental, un certain nombre de maisons ont été équipées avec des panneaux photovoltaïques. On en compte environ 30 000, qui se partagent pour moitié entre l’Europe et les États-Unis, dont plus de 4 000 dans les départements et territoires d’outre-mer.

Enfin, la Communauté européenne, l’A.D.E.M.E., le D.O.E. américain, le M.I.T.I. japonais et certaines compagnies d’électricité ont mis en place de petites centrales photovoltaïques pour stimuler le marché mondial, qui a été en progression constante jusqu’en 1992 et qui stagne depuis lors à un niveau qui se situe aux alentours de 50 MWc/an. Ces centrales, qui contribuent à la mise au point de générateurs dans des conditions réelles d’utilisation, produisent de l’électricité à l’aide de panneaux plans qui couvrent une surface proportionnelle à la puissance crête installée. On peut citer, à titre d’exemple et par ordre d’importance, celles de Kaw en Guyane de 35 kWc et de Poomia en Corse de 44 kWc, les installations de Delphes en Grèce (300 kWc) et de Kobern-Gaundorf en Allemagne (340 kWc), ainsi que celles de Saijo et de Lugo, toutes deux de 1 MWc et respectivement installées au Japon et aux États-Unis. Enfin, la plus importante de ces centrales est celle de Carina Plain, de 8 MWc, de la Southern California Edison Co., qui a installé les panneaux photovoltaïques sur de grands héliostats qui suivent le Soleil.

En plus d’un suivi des mouvements apparents du Soleil, on peut focaliser son rayonnement sur des photopiles de plus petites dimensions, qui devront être plus sophistiquées et plus performantes.

Applications terrestres avec concentration

Cette technique de production d’électricité qui utilise la concentration du rayonnement solaire n’est intéressante que dans des régions à faible nébulosité, c’est-à-dire essentiellement dans celles qui entourent le bassin méditerranéen et, en général, dans toutes les zones tropicales du type saharien, où l’ensoleillement direct est très important.

L’intérêt économique d’un tel dispositif dépendra du rapport qui existe entre le prix de la photopile et le coût du système mécanique de suivi et de l’optique de concentration du Soleil. En fait, la plupart des études ont montré que le rendement de conversion devra nettement dépasser 20 p. 100 à des températures de fonctionnement relativement élevées pour que cette utilisation soit intéressante.

Plusieurs méthodes ont été proposées pour focaliser le rayonnement solaire d’un facteur compris entre quelques unités et 2 000. Pour les plus faibles valeurs de celui-ci, on préférera des systèmes fixes à miroir réfléchissant la lumière sur le panneau photovoltaïque ou des suivis qui suivent un seul axe (hauteur ou azimut du Soleil). Le choix des cellules dépendra également du taux de concentration envisagé. Pour toutes celles qui sont inférieures à 100, on peut faire appel au silicium; les cellules ne diffèrent de celles qui sont employées sans concentration que par une optimisation des structures et des différentes résistances, afin de permettre l’évacuation des densités de courant plus élevées qui y circulent.

Pour une concentration plus importante, trois voies principales ont été explorées: l’emploi d’une cellule GaAs, capable de donner des rendements importants même à des températures élevées; la dispersion par un prisme du rayonnement solaire focalisé de manière à séparer différents domaines de longueurs d’onde; dans chaque zone est placée une cellule optimalisée pour ce type de photons. Des rendements très élevés ont été atteints par cette méthode; enfin, la mise en place, dans le foyer du concentrateur, d’une cellule à très haut rendement (plus de 35 p. 100), qui est formée de plusieurs matériaux épitaxiés les uns sur les autres et comportant plusieurs jonctions de façon à récupérer l’ensemble des photons du spectre solaire (il s’agit, en fait, d’intégrer le système précédent). À terme, il devrait être possible d’atteindre des rendements de 50 p. 100 avec des structures comportant trois matériaux. Mais de grands problèmes se posent pour l’intégration de plusieurs matériaux dont la maille cristalline est différente et, surtout, pour le nombre des jonctions à préparer (une douzaine).

Applications spatiales

Depuis le lancement du premier satellite Vanguard (États-Unis) en 1959, alimenté en électricité par des photopiles, les critères du choix du matériau le mieux adapté aux applications spatiales sont assez proches de ceux qui sont nécessaires à la concentration du point de vue des performances, avec, en plus, le problème du rapport rendement/ poids, de sorte qu’on a conservé relativement longtemps des photopiles à base de silicium monocristallin amincies afin d’en réduire le poids, avant de se tourner vers de nouveaux matériaux en couches minces, par exemple les tellurures et les sulfures de cadmium (qui n’ont eu guère de succès en raison de leur faible durée de vie) et, plus généralement, vers des alliages de composés III-V ou II-VI.

7. Perspectives

Les perspectives technologiques des différentes filières photovoltaïques (PV) se dessinent à plus ou moins long terme relativement clairement. Compte tenu des résultats de laboratoire que nous avons mentionnés, il est très aisé de prévoir qu’on obtiendra, à l’aube du XXI^e siècle, des cellules puis des modules industriels dont les valeurs de rendement seront de plus en plus proches des limitations théoriques. Toutefois, les perspectives de réduction des coûts ne seront pas de même nature d’une filière à l’autre et d’une application à l’autre, et, bien évidemment, c’est l’évolution du prix du kilowattheure qui sera le facteur prépondérant pour la plupart des applications terrestres.

On remarquera sur la figure 11 que les photopiles sont déjà plus rentables que les piles jetables et les batteries, et qu’elles commencent à l’être par rapport aux petits groupes Diesel en sites isolés. Le stockage de l’électricité reste un problème majeur. En effet, dans beaucoup d’applications, les accumulateurs sont aujourd’hui le seul recours. Plus tard, on passera probablement à la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau.

En revanche, l’écart de coût est encore trop important par rapport au prix du kilowattheure fourni par les grands réseaux interconnectés. De ce fait, une option préconisée par la France est de chercher à rentabiliser le photovoltaïque pour des applications en site isolé, là où l’on a besoin d’une quantité d’électricité de moins de 5 000 kWh par an (une famille française type de quatre personnes consommera en moyenne 28 000 kWh/an; source E.D.F., 1993).

De ce fait, on se tourne surtout vers les régions rurales de montagne, la Corse par exemple, ou vers les D.O.M.-T.O.M. et, en général, vers les pays en cours de développement, pour lesquels on estime que la couverture par l’électricité photovoltaïque de besoins tels que l’éclairage, le pompage, l’audiovisuel et le froid domestique des 2 milliards d’habitants non connectés à un réseau électrique pourrait représenter une consommation potentielle d’énergie électrique de plus de 300 TWh par an. En effet, ce type d’implantation de centrale photovoltaïque ne posera pas les mêmes problèmes que le nucléaire, et il sera accessible à des pays tels que le Brésil, la Chine, l’Inde et les pays du Maghreb, qui en ont pris conscience et qui sont en train de se doter de ce moyen de production d’électricité.

En outre, les préoccupations de protection de l’environnement, les problèmes de pollution accrue dans les villes fortement urbanisées, ceux des rejets dans l’atmosphère (pluies acides, effet de serre) ont fait réfléchir certains pays riches et les ont incité à tenter de réduire progressivement la consommation de combustibles fossiles.

La Suisse et, aux États-Unis, l’État de Californie sont en avance dans cette voie et ont pris des mesures incitatives en faveur de l’électricité photovoltaïque. En effet, aux États-Unis, les pointes de consommation qui sont le résultat de l’utilisation de la climatisation ayant lieu pendant les périodes les plus ensoleillées, donc aux alentours de midi, l’électricité photovoltaïque peut être utilisée sans avoir à recourir à un stockage.

Les grandes étendues favorisent également l’énergie PV, car elle est la plus rentable pour renforcer et pour stabiliser la puissance disponible en bout de ligne. Le passage au photovoltaïque permet de retarder ou de supprimer l’installation d’une nouvelle ligne plus puissante. Cette très forte valorisation de l’énergie PV connectée au réseau qui est de l’ordre de 6 MWc par an devrait rapidement augmenter.

Les projets américains, japonais et allemands foisonnent dans ce domaine. Le D.F.V.L.R. (Centre d’études spatiales allemand) propose d’installer des centrales PV dans des régions sahariennes pour produire de l’hydrogène par électrolyse de l’eau. L’idée est d’utiliser ce gaz, au XXI^e siècle, en tant que combustible pour les transports, et de résoudre ainsi le problème du stockage qui est lié au photovoltaïque. Une usine de ce type devrait voir le jour prochainement au Maroc.

Les producteurs d’électricité de grandes villes américaines (Portland, Dallas, Denver...) ou d’États comme la Californie, le Nevada ou l’Arizona ont de grands projets de centrales photovoltaïques et de maisons solaires connectées au réseau. Celles-ci deviendraient à la fois un lieu de production et de consommation du courant électrique, son propriétaire achèterait ou revendrait le courant électrique selon que sa propre production serait suffisante ou excédentaire. En particulier, les Japonais se proposent d’accroître leur parc de maisons à toit PV de 1 000 par an en 1994 à 2 000 par an en 1996, pour atteindre, en l’an 2000, un parc de 30 000 à 70 000 installations d’une puissance totale de 100 à 200 MWc. Les Pays-Bas espèrent également installer une puissance analogue d’ici à 2010. Le M.I.T.I. rachèterait le courant produit par ces particuliers à 1,25 franc le kilowattheure (en Allemagne, le prix de rachat par le réseau a été fixé à 0,17 deutsche Mark en 1991).

À l’opposé, on peut défendre la thèse que l’intérêt du PV consiste en des systèmes isolés, de faibles puissances, non connectés à un réseau. En effet, dans ce cas, on peut rester en courant continu sous une tension de 12 ou 24 V, au lieu de s’équiper d’un onduleur en phase avec le réseau, ce qui simplifie et réduit le coût d’installation. C’est la position de la France dans ce domaine.

En conclusion, la filière PV a atteint le stade de la crédibilité industrielle avec des atouts importants, au niveau de la technologie et de la recherche, pour que les photopiles du XXI^e siècle, bien entendu non polluantes lors de leur utilisation, le soient également lors de leur production par l’introduction de nouvelles techniques qui utiliseront très peu de produits chimiques (filière sèche en four à lampes, par exemple).

Encyclopédie Universelle. 2012.