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Quand le soleil nous en fait voir de toutes les couleurs

par Jtournet (d · c · b)

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Contributeurs : Jtournet, Vincent Bonhomme · Éditeur : Vincent Bonhomme (d · c · b)
Création : 01 juin 2016 · Révision : 25 avril 2017 · Rev₀ → Rev_actuel
Lien court : https://shakepeers.org?curid=929

Le 8 mai 2016 a marqué un tournant dans l'utilisation des énergies renouvelables en Europe : pendant quelques heures, les installations photovoltaïques et éoliennes ont produit 95 % de l'électricité de l'Allemagne. Certains pays, dont la France, sont plus timides à l'encontre des énergies propres. En 2015, les énergies renouvelables ne représentaient en effet que 19% de l'électricité produite dans notre pays. Dans le cas du photovoltaïque, les réticences viennent principalement des coûts élevés de fabrication et d’installation des panneaux solaires, dont les rendements sont encore jugés trop faibles.

À l'instar d'autres composants électroniques, l'écrasante majorité des cellules solaires utilisées dans le commerce est à base de silicium : ces cellules représentent près de 90% du marché actuel. Extrait du sable, le silicium est le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre et est utilisé massivement dans l'industrie. Cependant, il ne transforme qu'une petite partie de l'énergie solaire reçue, entre 14 et 21 %, en électricité. D'autres types de matériaux, tels que l'arséniure de gallium, peuvent être utilisés. Bien que leurs propriétés électroniques soient plus adaptées, leur efficacité de conversion reste inférieure à 30%. Ces cellules, à base d'un matériau unique, sont peu efficaces par nature.

Une exploitation non optimale de l'énergie reçue

Pourquoi ces rendements sont-ils faible ? Outre la lumière visible que notre œil perçoit, le Soleil émet un ensemble de rayonnements tels que les ultra-violets ou les infra-rouges. Chacun de ces rayonnements correspond à un flux de photons possédant une certaine énergie. On parle de spectre solaire pour désigner l'ensemble des rayonnements, c'est-à-dire l'ensemble des photons émis par le Soleil. Ce spectre, perçu dans l’espace, diffère de celui reçu sur Terre à cause du passage de la lumière dans l'atmosphère où une partie des photons est absorbée. C'est ce dernier spectre qui est considéré lors de l'élaboration des cellules destinées à une application terrestre, comme dans le cas de cellules mises en toiture ou utilisées dans une centrale photovoltaïque.

Comparaison du rayonnement solaire reçu en dehors de l'atmosphère terrestre (rouge) avec le rayonnement reçu sur Terre (bleu). Les longueurs d'onde visibles sont indiquées sur le graphique, elles correspondent au maximum de rayonnement reçu sur Terre. L’œil humain a en effet évolué de manière à être plus sensible aux rayonnements les plus forts.

Les matériaux semi-conducteurs utilisés en photovoltaïque absorbent les rayonnements au-dessus d'une certaine énergie qui leur est propre. On appelle cette énergie l'énergie de bande interdite du semi-conducteur. Les photons d'énergie supérieure sont absorbés par le matériau et transformés en électricité, tandis que les photons d'énergie inférieure traversent le matériau comme si celui-ci était parfaitement transparent. Les cellules solaires souffrent ainsi de deux types de pertes : les pertes par transmission et les pertes par thermalisation. Les photons d'énergie trop basse qui sont "perdus" puisqu'ils ne sont pas transformés en électricité contribuent aux pertes par transmission. Les photons d'énergie trop haute, provoquent un échauffement du matériau avant d'être transformés en électricité par la cellule. Ce sont les pertes par thermalisation. Une cellule n'utilisant qu'un seul type de matériau n'exploite donc qu'une petite partie du spectre solaire, correspondant à des énergies proches de son énergie de bande interdite.

Les pertes par thermalisation (dues aux photons d'énergie trop haute) et les pertes par transmission (dues aux photons d'énergie inférieure à l'énergie de bande interdite) ne permettent d'exploiter qu'une petite partie du rayonnement solaire, indiquée en rouge.

Une mosaïque de cellules pour distribuer le spectre solaire

Comment remédier à cette mauvaise conversion de l'énergie solaire ? Les scientifiques ont, dès les années 50, l'idée d'associer des cellules à base de matériaux différents pour monter une « super-cellule » plus performante. Cela permet en effet d'exploiter non plus une seule, mais plusieurs régions du spectre solaire, et donc autant d'énergies différentes. De tels composants sont appelés cellules multi-jonctions et consistent en un empilement de sous-cellules connectées les unes aux autres. Des cellules de deux à cinq jonctions ont ainsi été réalisées, permettant d'atteindre des rendements record proches de 50%.

Ce schéma montre la répartition du spectre solaire entre les sous-cellules d'une cellule multi-jonctions. La lumière pénètre d'abord le matériau de plus haute énergie de bande interdite (material 1). Les photons de plus haute énergie, et donc de plus petite longueur d’onde, sont ainsi absorbés par la sous-cellule bleue et les autres la traversent pour atteindre la sous-cellule suivante. Les photons restants de plus haute énergie sont alors absorbés par la sous-cellule verte (material 2) et ceux d'énergie inférieure à l'énergie de bande interdite de material 2 traversent la sous-cellule verte pour atteindre la sous-cellule rouge. Là encore, les photons restants de plus haute énergie sont absorbés par la sous-cellule rouge (material 3) tandis que les photons d'énergie inférieure sont perdus par transmission. En répartissant les photons issus du Soleil entre des matériaux d'énergie de bande interdite différente, on a ainsi maximisé l'énergie totale transformée par le système.

Plutôt que de se limiter à des semi-conducteurs binaires (à deux éléments) tels que l’arséniure de gallium, on peut réaliser des alliages à trois, quatre ou cinq éléments afin de combiner les propriétés physiques des matériaux. On peut ainsi créer des sous-cellules sur mesure de manière à exploiter au mieux les rayonnements reçus du soleil. De plus, ces cellules très performantes peuvent être associées à des systèmes optiques de concentration permettant de focaliser les rayons du soleil sur une petite surface. Les cellules équipées de concentrateurs utilisent donc un espace restreint, de l'ordre du millimètre carré, allégeant à la fois les procédures et le coût d'installation. De nombreux types de matériaux et d'empilements existent aujourd'hui et la course au rendement est loin d'être terminée. Le National Renewable Energies Laboratory (NREL) recense chaque année les records d'efficacité des cellules développées par les laboratoires de recherche à travers le monde. Les cellules multi-jonctions y occupent sans conteste le haut du classement.

Dynamique des records de performance des cellules solaires (source)

Les cellules multi-jonctions dominent donc les autres technologies photovoltaïques et n'ont de cesse de se surpasser. Où se situe donc leur limite ? Peut-on imaginer un jour exploiter la totalité du spectre solaire en utilisant un très grand nombre de sous-cellules ? Malheureusement, l'empilement des sous-cellules et la récupération du courant électrique que chacune génère implique une complexité technologique qui croît avec leur nombre. Il faut en effet réussir à fabriquer dans le même composant des matériaux de bonne qualité avec des propriétés physiques parfois très différentes les unes des autres. De plus, il faut parvenir à connecter ces sous-cellules entre elles ainsi qu'à un circuit extérieur en minimisant les pertes. C'est pourquoi les cellules à cinq ou six jonctions peinent encore à dépasser les performances des cellules à quatre jonctions. Néanmoins, de nombreuses études sont à l'œuvre et la recherche photovoltaïque, académique et industrielle, a encore de beaux jours devant elle.

Un accueil mitigé pour un candidat prometteur

Le retard inquiétant de la France en matière d'énergies renouvelables a été pointé du doigt à l'aube de la COP21. Le photovoltaïque peine en effet à s'imposer dans notre pays, contrastant avec les installations croissantes d'équipements solaires en Allemagne, Italie et Espagne. Les responsables ? Les rendements jugés trop faibles qui, associés au fort coût d'installation des panneaux à large échelle, semblent décourager les usagers et entreprises. Bien qu'elles offrent des solutions à ces problèmes, les cellules multi-jonctions ont un coût de fabrication encore trop important et ne reçoivent pas un accord très chaleureux sur le marché. En effet, les matériaux qui les constituent sont chers et elles doivent être fabriquées par des techniques spéciales, telles que l'épitaxie par jets moléculaires ou l’épitaxie en phase vapeur aux organo-métalliques, de manière à obtenir les meilleurs rendements possibles. Mais ces techniques sont coûteuses.

L'utilisation de systèmes de concentration permet de réduire la taille des cellules et par conséquent leur coût. Néanmoins, ceci n'est pas encore suffisant pour permettre leur intégration sur le marché. Dans le domaine spatial en revanche, le critère financier est moins rigide et les cellules multi-jonctions connaissent un grand succès. Des engins spatiaux tels que le rover martien Spirit sont équipés de telles cellules. Cette technologie présente par ailleurs un avantage considérable pour les micro- et nano-satellites permettant une meilleure production d'énergie dans un volume restreint. De nombreuses universités, à l'image de l'Université de Delft avec le projet Delfi-C3, ont su tirer profit de cette opportunité en équipant les satellites low-cost développés par leurs étudiants avec ces systèmes.

L'Europe y croit

L'Union Européenne investit depuis plusieurs années dans la recherche de cellules solaires à haut rendement : le programme Horizon 2020 distribue des bourses à de jeunes chercheurs pour les former, entre autre, dans ce domaine. De nombreuses collaborations entre universités, entreprises et centres de recherche européens ont ainsi émergé.

Le projet PROMIS notamment, auquel prennent part l'université de Montpellier et le III-V Lab (Centre de recherche commun à Nokia, Thalès et au CEA), vise en partie à développer des cellules multi-jonctions à haut rendement sur des supports à faible coût. Utiliser une base en silicium, par exemple, permettrait de rendre les cellules multi-jonctions plus accessibles en réduisant l'obstacle majeur à leur intégration par le grand public : leur coût de fabrication. Cette stratégie est d'ailleurs commune à de nombreux domaines de l'électronique comme la photonique ou les télécommunications. Alors que de nouveaux records d'efficacité sont signalés chaque trimestre, l'intégration sur silicium des cellules multi-jonctions est le nouveau défi phare du photovoltaïque.

Au rythme des avancées scientifiques dans le domaine, on peut espérer que cette technologie prometteuse se fera bientôt une place de choix au soleil.