L’énergie solaire, tout le monde en parle, mais nous sommes peu à nous y mettre. Voici un petit état des lieux qui nous permettra d’y voir plus clair.
Pour comprendre comment fonctionne un panneau photovoltaïque (PV), il faut comprendre comment sont structurés les semi-conducteurs qui le composent. La structure se représente par des bandes d’énergie à valeurs « autorisées », séparées par des gaps, bandes d’énergie « interdites». À une température proche du zéro absolu, les électrons remplissent toute une bande autorisée, appelée bande de valence. Pour qu’il y ait conduction électronique, les électrons doivent accéder à des niveaux d’énergie supérieure, impossibles dans la bande de valence où tous les états sont occupés. Ils doivent alors passer dans la bande autorisée suivante, dite bande de conduction. Les semi-conducteurs utilisés pour un panneau photovoltaïque se caractérisent par un gap d’énergie Eg de valeur telle que l’énergie lumineuse solaire Elum transférée aux électrons de la bande de valence leur permet de passer à la bande de conduction. La création d’un champ électrique permet ensuite de faire sortir ces électrons du matériau et de les faire circuler dans le circuit. Deux matériaux aux propriétés électrochimiques différentes sont mis en contact, ce qui crée le champ électrique au niveau de la jonction. À ce jour, deux grands types sont utilisés : les matériaux massifs – composés de silicium cristallin ou polycristallin – et les couches minces – à base de silicium amorphe ou d’éléments plus rares tels l’indium.
Une question de rendement
Lors de la conversion, une partie de l’énergie lumineuse est perdue. La conversion nécessite que Elum > Eg – équation dépendant du matériau. Le surplus d’énergie (Elum – Eg) est cependant perdu par thermalisation. Si Elum < Eg, les électrons ne passent pas à la bande de conduction, d’où perte de Elum par transmission. S’y ajoute la perte par recombinaison radiative, résultant du principe qu’un matériau qui absorbe de la lumière va
en réémettre. La somme de ces pertes conduit à une limite fondamentale de conversion d’une jonction, soit 31 % de rendement théorique.
À ce jour, sous conditions standards (25 °C, ensoleillement de midi), les rendements des installations sont de l’ordre de 10 à 15 %. Afin de limiter les pertes, des cellules multi-jonctions ont été créées. Il s’agit de l’empilement de matériaux ayant des gaps différents, technique palliant la perte de surplus d’énergie. Ces cellules sont principalement utilisées en aérospatiale et la création de telles cellules à base de silicium est l’objet de recherches en cours.
Un avenir prometteur
Si le photovoltaïque a connu une progression mondiale de 40 % ces dix dernières années, cette source d’énergie reste minoritaire (0,27 % de la consommation électrique). Or, pour la France, de simples calculs montrent que l’installation de modules photovoltaïques sur une surface de 0,7 % du territoire métropolitain suffirait à couvrir la consommation du pays. Sans parler des espoirs basés sur l’amélioration des rendements, apportés par la recherche actuelle. De plus, le temps de retour sur investissement en énergie n’est que de 2 ans, en prenant en compte toute la chaîne de production des panneaux. Ces données montrent que le photovoltaïque est loin d’être utilisé au maximum de ses capacités. Si le coût du kWh produit ainsi (non subventionné) reste aujourd’hui plus élevé que le coût de l’électricité vendue aux particuliers par EDF, l’augmentation de ce dernier et les avancées technologiques laissent augurer d’un avenir pérenne pour l’industrie photovoltaïque.
Fig. 1 : Effet photoélectrique d’un semi-conducteur de gap Eg. Les pertes par thermalisation du surplus d’énergie lumineuse Elum sont représentées par la chaleur dissipée, inutilisable pour la conversion PV.
Modifié avec l’aimable autorisation de D. Mencaraglia
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Denis Mencaraglia, Laboratoire de Génie Electrique de Paris- (lgep ), mencaraglia@lgep.supelec.fr