Energie Solaire Photovoltaïque P. Roca i Cabarrocas - IPN
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<strong>Energie</strong> <strong>Solaire</strong> Photovoltaïque<br />
P. <strong>Roca</strong> i <strong>Cabarrocas</strong><br />
Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches Minces<br />
Ecole Polytechnique Palaiseau<br />
roca@poly.polytechnique.fr
PLAN<br />
1. Contexte énergétique<br />
2. Une source d’énergie (réacteur de fusion)<br />
3. Conversion photovoltaïque<br />
4. Les filières<br />
5. Perspectives
1. Contexte énergétique<br />
Energy end-use (EU-15, 2002)<br />
Households and services<br />
Other including<br />
electricity<br />
375 Mtoe<br />
(39%)<br />
Heat<br />
Oil products<br />
Electricity<br />
Electricity<br />
Transport<br />
Heat<br />
369 Mtoe<br />
(28%)<br />
Industry<br />
313 Mtoe
Renewable energy sources<br />
in the energy supply (EU-15, 2002)<br />
OIL<br />
41%<br />
NUCLEAR<br />
15%<br />
Biomass<br />
63%<br />
PV 2%<br />
RES<br />
6%<br />
Solar 6%<br />
GAS<br />
23%<br />
COAL<br />
15%<br />
Hydro 28%<br />
Wind 41%<br />
Others 8%<br />
Geothermal 51%
1. Contexte énergétique<br />
En 2003, la consommation électrique mondiale était d’environ 15 000 TWh.<br />
La consommation électrique en France était de 470 TWh.<br />
Terawatt-heure : milliard de kW
1. Contexte énergétique<br />
Croissance de la population mondiale. En 2050 ~ 10 milliards d’habitants<br />
Production de CO 2 ?
2. Le soleil
Le soleil<br />
Corps noir à ~ 5800 K<br />
Distance à la terre<br />
150x10 6 Km<br />
Air Mass 0<br />
AM0 ~1380 W/m 2<br />
AM1 ~1000 W/m 2<br />
Gigatep : milliard de tonnes équivalent-pétrole<br />
Terawatt-heure : milliard de kWh.<br />
1 Tep ~10 7 Kcal<br />
Kwh = 3.6x10 6 Joules = 860 Kcal
L'Europe (et la France) est divisée en 3 zones "solaires"<br />
Il y a des pays dans les trois zones où le marché solaire est important (en jaune sur la carte)<br />
Cette carte est reproduite d'après l'étude "Sun<br />
in Action" réalisée par la Fédération de<br />
l'Industrie <strong>Solaire</strong> Européenne (ESIF) dans le<br />
cadre du programme Altener de la Commission<br />
Européenne DG XVII.<br />
EUR.OP<br />
L-2985 Luxembourg<br />
ISBN 92-827-8720-6<br />
Zone A : l'Europe du Nord, du Royaume Uni à la Pologne. La plupart<br />
de l'Allemagne avec un marché solaire important se trouve dans cette<br />
zone.<br />
- Rayonnement solaire quotidien moyen<br />
= 2.4 à 3.4 kWh/m2<br />
- Productivité moyenne annuelle d'une installation solaire = 300 à 400<br />
kWh/m2<br />
Zone B : l'Europe Centrale, de la France à Roumanie. L'Autriche avec<br />
un marché solaire important se trouve dans cette zone.<br />
- Rayonnement solaire quotidien moyen<br />
= 3.4 à 4.4 kWh/m2<br />
- Productivité moyenne annuelle d'une installation solaire = 400 à 500<br />
kWh/m2<br />
Zone C : l'Europe du Sud, du Portugal à Bulgarie. La Grèce avec un<br />
marché solaire important se trouve dans cette zone.<br />
- Rayonnement solaire quotidien moyen<br />
= 4.4 à 5.4 kWh/m2<br />
- Productivité moyenne annuelle d'une installation solaire = 500 à 600<br />
kWh/m2<br />
On doit rappeler que ces valeurs de productivité concernent des<br />
installations avec des capteurs vitrés qui fonctionnent en permanence<br />
pendant toute l'année. La productivité des installations saisonnières<br />
comme le chauffage, ainsi que des chauffe-eau solaires individuels où<br />
les propriétaires partent en vacances, sera forcément réduite.<br />
http://www.outilssolaires.com/infos/prin-ensoleil.htm
Conversion photovoltaïque<br />
30% de croissance annuelle sur les 10 dernières années<br />
Compétitive pour les applications niche<br />
Objectif Européen: 4% de l’électricité générée en 2030<br />
(“A vision for photovoltaic technology”, PV-TRAC report 2004)<br />
http://www.iea-pvps.org/
Les fabricants
http://www.iea-pvps.org/<br />
Marchés et coûts
3. Conversion photovoltaïque
Principes de base<br />
Effet photoélectrique<br />
Matériau avec au moins deux niveaux d’énergie semi-conducteu<br />
E = hν<br />
E c 1. Absorption<br />
2. Thermalisation<br />
E v<br />
3. Recombinaison<br />
4. Séparation de charges<br />
Dans une cellule solaire on évite la recombinaison en créant un champ<br />
Électrique qui sépare les électrons vers le contacte négatif<br />
et les trous vers le contacte positif<br />
Jonction P/N<br />
Hétéro-jonction
Principes de base<br />
Rendement quantique: électrons/photon<br />
Gap c-Si
Principes de base<br />
Rendement énergétique<br />
J<br />
V m<br />
V oc<br />
V<br />
J m<br />
Comment aller au-delà de 25% ?<br />
P max<br />
J cc<br />
=<br />
J<br />
P<br />
m<br />
⋅V<br />
m<br />
incident<br />
=<br />
FF ⋅ J<br />
P<br />
sc<br />
⋅V<br />
incident<br />
oc
4. Les filières
Les filières du Photovoltaïque
Silicium cristallin<br />
Point de départ: barreau de silicium<br />
‣85% de la production totale<br />
‣Silicium monocristallin<br />
‣Siliciumm polycristallin<br />
éthode Czochralski<br />
‣Rendements record 21-24 %<br />
‣Rendement modules 13-17 %<br />
‣Matériau de départ: déchets<br />
de la microélectronique
Silicium Polycristallin<br />
• Réduction des coûts<br />
• Rendements > 15%<br />
Fusion du Si à ~1500 °C<br />
Découpage en barreaux<br />
Découpage plaquettes<br />
~300 µm<br />
Four de diffusion<br />
POCl 3<br />
800°C jonction PN<br />
Décapage plasma des bord<br />
Dépôt plasma a-SiN:H<br />
Dépôt contacts<br />
Recuit des contacts
www.photowatt.com<br />
PWX500 307€ pour 50 Wc<br />
Module PhotoWatt
Silicium Polycristallin<br />
Réduction des coûts méthodes moins coûteuses petits grains
Couches Minces 0.3 – 3 µm<br />
Plusieurs technologies en concurrence<br />
CdTe (First Solar, ANTEC)<br />
CIS (Würth Solar, Shell Solar,<br />
a-Si:H (RWE, Intersolar, FEE, Solems, KANEKA, Sharp,<br />
Canon, USSC, Iowa thin films,….<br />
Dye-cells<br />
Actuellement moins de 10% de parts du marché<br />
Fort potentiel de réduction de coûts pour des usines de > 100 MW<br />
Rendements 7-10% pour les modules<br />
Intégration dans le bâtiment<br />
Fort potentiel de croissance
Couches Minces: plusieurs voies avec une forte synergie<br />
P. <strong>Roca</strong>, LPICM Ecole Polytechnique, F-91128 Palaiseau Cedex<br />
Mêmes substrats, couches d’ITO, mise en série,….<br />
Plusieurs choix pour la couche active: a-Si:H, µc-Si:H, pm-Si:H<br />
CIS, CdTe,…<br />
Glass (substrate)<br />
SnO 2 (TCO front<br />
contact)<br />
{<br />
p-layer<br />
} a-Si: H<br />
i-layer<br />
n-layer<br />
ITO (reflection<br />
enhancement)<br />
Al (back contact)
Couches minces a-Si:H<br />
Dépôt plasma à basse température<br />
Substrat de verre ou plastique<br />
Grande surface<br />
SnO 2<br />
Al contact<br />
N(a-Si:H)<br />
Intrinsic a-Si:H<br />
~0.3 µm<br />
Glass substrate<br />
10 nm<br />
P(a-SiC:H)<br />
E c<br />
E=hν<br />
E F<br />
E v<br />
P I N<br />
E
Couches minces versus massif<br />
Fort potentiel de réduction des coûts
Cellules PIN et tandem PIN/PIN<br />
O 2<br />
Structure PIN<br />
Contact Al<br />
N(a-Si:H)<br />
I (a-Si:H)<br />
~0.3 µm<br />
Substrat de verre<br />
10 nm<br />
P(a-SiC:H)<br />
Tandem<br />
PIN/PIN<br />
Back<br />
contacts<br />
µc-Si:H<br />
(Bottom cell)<br />
Spectral response [a.u.]<br />
15<br />
a-Si:H<br />
µc-Si:H<br />
Micromorph<br />
400 600 800 10<br />
Wavelength [nm]<br />
light<br />
a-Si:H<br />
(Top cell)<br />
TCO<br />
Glass<br />
Current (mA)<br />
10<br />
5<br />
1 cm 2 Hybrid cell<br />
AM 1.5, 25 o C<br />
(KANEKA double-light<br />
source simulator)<br />
Jsc: 14.4 mA/cm 2<br />
Voc: 1.41 V<br />
F.F. : 0.719<br />
Eff: 14.5%<br />
0<br />
0 0.5 1 1
Technologie Couches Minces
Mitsubishi Heavy Industries<br />
PIN µcSi 8.8% à 2.5 nm/s<br />
Module PIN/PIN 40x50 cm 2<br />
11.1% à 2.1 nm/s<br />
100W pour 20 Kg
UniSolar: procédé "roll-to-roll"<br />
Evolution de la capacité de production. Cellules triple jonction<br />
Production Capacity [MW/yr]<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
28%/yr growth rate<br />
1986 0.6 MW<br />
1991 2.0 MW (2 junction, 1 bandgap)<br />
1996 5 MW (3-jnct, 3 bandgap)<br />
2002 30 MW<br />
1985 1990 1995 2000 2005<br />
Year<br />
Nouvelle ligne de 25 MW prévue pour septembre 2006
Matériaux organiques<br />
Beaucoup d’espoir en raison du succès des OLEDs<br />
Plusieurs types de molécules et méthodes de préparation<br />
En général très sensibles à l’air<br />
Dégradation, stabilité long terme,…<br />
Rendements actuels ~ 5%<br />
Fort potentiel de réduction des coûts
Course au rendement
5. Perspectives ?
Mot d’ordre: réduction du €/Watt<br />
€/kWh<br />
1,0<br />
0,8<br />
0,6<br />
900 h/y:<br />
0.60 €/kWh<br />
North of<br />
Europe<br />
1800 h/y:<br />
0.30 €/kWh<br />
South of<br />
Europe<br />
0,4<br />
0,2<br />
Utility Peak Cost<br />
Bulk Cost<br />
0,0<br />
1990 2000 2010 2020 2030 2040<br />
Comment ?<br />
Augmenter le rendement<br />
Réduire les coûts de production
Le paradis du photovoltaïque<br />
cirque de Mafate sur l’île de la Réunion. Moyenne de 7 kWh/m 2 /jour<br />
00 habitants vivent en quasi autarcie énergétique.<br />
Merci de votre attention !
Exemple<br />
Pavillon avec 40 m 2 de panneaux PV sur le toit, rendement de 10%<br />
Coût de l’installation ~ 40 x 500 = 20 k€<br />
Ensoleillement moyen de 5 KWh/m 2 /j<br />
Production annuelle d’électricité: 365 x 5 x 40 x 0.1 = 7300 KWh<br />
Connecté au réseau<br />
Prix de rachat EdF ~ 0.5€/KWh<br />
On produit 3650 €/an<br />
Sur 20 ans cela fait 73000 €<br />
Prix égal à celui d’EdF 0.13 €/KWh ---- 18980 €
echnologie<br />
photovoltaïque :<br />
FEE<br />
boratoires CNRS<br />
EA<br />
dustriels<br />
LPICM : Si mince<br />
LGEP, LPSC caract<br />
LCMTR: Si massif<br />
LECA : CIS<br />
CISEL : LECA +<br />
Solems<br />
EDF+St Gobain (CIS)<br />
CEA: organique<br />
PHASE : Si massif, mince et org.<br />
IPCMS : organ.<br />
ECPM : polymères<br />
CNRS: Process PV<br />
ate-formes<br />
otoVoltaïques:<br />
LCS,LAMP : CIS<br />
cristallin (CEA)<br />
égion Grenobloise:<br />
estaure «Sinergies »<br />
DEP (EDF-CNRS)<br />
égion Parisienne:<br />
CISEL »<br />
atériaux avancés<br />
égion Alsace: (CNRS)<br />
PIOM:organique.<br />
ERT-CSPVP Orga<br />
LAAS : systèmes<br />
LGET: org.<br />
CEM2 : CIS,<br />
systèmes<br />
INES<br />
Emix<br />
Photowatt<br />
INSA-LPM<br />
CEA : Si massif<br />
Si massif, mince<br />
Apolon<br />
CEA : Systèmes<br />
TECSEN:<br />
Si massif<br />
& caract.<br />
Armines<br />
ADEME<br />
SPE: systèmes
Le Monde 18/19 Novembre 2007
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