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Sébastien Lauwers
I. INTRODUCTION
La consommation mondiale d'électricité s'élève actuellement à environ 15 TW 1 TW= 1012 W, dont la grande majorité est générée par la combustion de combustibles fossiles. Les rejets de CO2 associé à ces sources anthropiques a considérablement modifié la composition de l'atmosphère et peut avoir un impact négatif sur la température globale, le niveau des mers et la qualité de l'air et donc de l'ensemble des régimes climatiques.
Le défi est de fournir jusqu'à 30 TW d'énergie sans carbone d'ici le milieu du 21e siècle. Si l'on suppose que toute cette énergie sera fournie par des panneaux photovoltaïques ayant une durée de vie de 30 ans, cela se traduit par des taux de production photovoltaïque de 1 TW/an. Toutes les ressources renouvelables seront importantes, mais seul le solaire peut répondre à ce niveau de demande. Le potentiel mondial pratique des autres sources d'énergie renouvelables, telles que l'énergie éolienne, hydroélectrique, la biomasse et la géothermie, est estimé à moins de 10 TW2. Sur les 105 TW de lumière solaire qui frappent la terre, on estime qu'il est techniquement possible de capter jusqu'à 600 TW.
L'énergie solaire peut être récoltée par sa conversion en chaleur (solaire thermique), en électrons (photovoltaïque) ou en produits chimiques (combustibles solaires). La première est sans doute la plus simple, avec des installations allant de chauffe-eau domestiques de 1 kW à des centrales électriques de 50 MW situées dans des zones à forte densité de population et situées dans des zones à fort ensoleillement.
Les approches courantes des combustibles solaires comprennent la division photoélectrochimique de l'eau pour produire du H2 et la réduction du CO2 en combustibles liquides tels que le méthanol. Les combustibles solaires restent la stratégie la moins développée pour exploiter l'énergie solaire et fait actuellement l'objet d'efforts renouvelés au niveau de la recherche fondamentale.
L'énergie solaire photovoltaïque, connait un taux de croissance moyen de 40 % par an avec un taux d'installation annuelles dépassant 8 GW. Ce chiffre augmente d'année en année. La figure 1 compare le coût de l'électricité solaire à celui de l'électricité produite par des sources conventionnelles. En 2009, le coût moyen de l'électricité fournie par le réseau aux États-Unis était de 9,5 ¢/kWh. valeur continuera d'augmenter en raison de l'accroissement de la demande ou à des taux potentiellement plus élevés si des mesures telles que la taxation du carbone sont introduites. Le prix actuel de l'électricité produite à l'aide de cellules solaires reste deux à trois fois supérieur à celui de l'électricité fournie par le réseau, mais les coûts du photovoltaïque continuent de diminuer. On s'attend à ce que le prix de l'électricité, communément appelé " parité avec le réseau ", augmente d'ici quelques années.
Photovoltaique
Un croisement, communément appelé "grid parity", est attendu au cours de la prochaine décennie. En fait, la parité réseau a été a été atteinte dans des régions comme la Californie du Sud où l'ensoleillement et le coût marginal de l'électricité sont élevés. Malgré cette réussite étonnante, la fabrication du PV doit encore être élargie de deux ordres de grandeur pour atteindre des niveaux de production de plusieurs TW/an afin de transformer notre société, d'une société qui dépend de la combustion de combustibles fossiles à une société qui utilise des d'énergie durable. Le défi est de taille, mais les possibilités sont tout aussi illimitées. Le soleil fournit en permanence de l'énergie à la planète avec un flux moyen de 1000 W/m2. Si on suppose un rendement de conversion net de 10% pour la production, le transport et le stockage, 10^12 m2 seraient nécessaires pour fournir 30 TW d'énergie propre. En supposant une durée de vie des panneaux de 30 ans, cela se traduit par la production de 5 x 10^10 m² /an. Pour mettre ce chiffre en perspective, la production mondiale de verre plat, actuellement dominée par les secteurs de la construction et de l'automobile, est d'environ 6 x 10^9 m2 /an. Le verre est une comparaison appropriée puisqu'il est commun à la majorité des plates-formes photovoltaïques actuelles, représentant
une fraction importante du poids et du coût des panneaux photovoltaïques.
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II. SITUATION ACTUELLE DE LA FABRICATION DE PV
En 2003, les différentes formes de silicium représentaient 99 % du marché, et la fabrication était dirigée par le Japon et l'Europe. Aujourd'hui, le silicium cristallin (c-Si) représente toujours 85 % du marché, mais la Chine est devenue le premier fabricant mondial. En très peu de temps, la Chine est passée du statut d'acteur négligeable à celui de fournisseur de 50 % du marché mondial du photovoltaïque dans le monde. Cette croissance a été stimulée par des investissements stratégiques du gouvernement, l'accès à des capitaux bon marché, et a bénéficié des faibles coûts de la main-d'œuvre chinoise, qui permet de produire des modules à des coûts inférieurs à ceux de ses concurrents au Japon, en Europe et en Amérique du Nord. Le deuxième changement majeur de la dernière décennie a été l'émergence du tellurure de cadmium. Ces changements sont dus à des innovations dans le domaine de la fabrication et de la science fondamentale, associées à un esprit d'entreprise créatif et agressif.
à un esprit d'entreprise créatif et agressif.
Dans la plupart des cas, les cellules ont connu peu ou pas d'amélioration au cours de la dernière décennie, alors que les économies d'échelle et les progrès de la science et de la technologie de fabrication ont alimenté l'expansion du PV par la réduction des coûts et la performance des modules.
du PV par la réduction des coûts et l'amélioration des performances des modules. La figure 4 montre que les technologies PV se trouvent à différents points dans leurs courbes d'apprentissage respectives
par rapport à la limite de Shockley-Queisser SQ de 31 % de rendement de conversion de l'énergie solaire pour les dispositifs à simple jonction.
III. OPPORTUNITÉS ET DÉFIS DANS TECHNOLOGIES ACTUELLES DE FABRICATION DU PV
A. Silicium cristallin
Le silicium est le semi-conducteur le plus développé et le mieux compris au monde, bénéficiant de décennies de développement par l'industrie des circuits intégrés IC. Les techniques permettant de
contrôler et manipuler ses propriétés sont bien établies.
Le silicium a prouvé sa stabilité sur le terrain, et c'est le semi-conducteur le plus abondant au monde. Le silicium multicristallin mc-Si reste le principal produit photovoltaïque, bien que sa part de marché ait diminué par rapport à des valeurs atteignant jusqu'à 10 %. La combinaison d'un rendement plus élevé, d'une baisse des prix du polysilicium et d'améliorations de la technologie de découpe des fils a permis de réduire l'épaisseur des plaquettes et de maintenir la compétitivité du silicium c-Si monocristallin. Les problèmes qui limitent la technologie c-Si aujourd'hui restent assez similaires à ceux décrits par Goetzberger et al, dans leur article de synthèse détaillé de 2003. La réduction du coût du silicium est recherchée par le biais d'un certain nombre de moyens, notamment l'amélioration de la matière première, la production de plaquettes sans kerf, le développement de silicium ultrafin, ainsi que l'utilisation de cellules bifaciales. Ces stratégies sont brièvement passées en revue ci-dessous, ainsi que les efforts visant à améliorer encore l'efficacité des modules.
A.1 Matière première du silicium
Jusqu'à présent, les techniques de purification du silicium ont été dictées par l'industrie des circuits intégrés, qui utilise du silicium de qualité électronique avec des niveaux de pureté inférieurs à 1 ppb. Un changement important s'est produit il y a quelques années lorsque l'industrie photovoltaïque a dépassé l'industrie des circuits intégrés en tant que plus grand consommateur de silicium raffiné. Malgré des décennies de croissance régulière, cette transition a apparemment pris les fournisseurs de silicium par surprise, ce qui a entraîné des pénuries à court terme et à des flambées de prix dans le secteur de l'électronique. Cependant, les fonderies de silicium ont réagi à leur client de premier plan en augmentant leur capacité et en examinant des stratégies pour développer du silicium de "qualité solaire". Le silicium de qualité électronique est produit principalement à l'aide du procédé à forte intensité énergétique de 120 kW h/kg Siemens qui consomme beaucoup d'énergie. De nouvelles stratégies de production, telles que la technologie du lit fluidisé sont à l'étude pour améliorer le silicium de qualité métallurgique, ce qui pourrait réduire la consommation en énergie. Bien que moins coûteuses, ces techniques conservent souvent des niveaux plus élevés de métaux tels que le fer et l'aluminium que le silicium de qualité électronique. Ces impuretés seraient catastrophiques dans la fabrication de circuits intégrés, mais des niveaux aussi faibles peuvent être tolérés dans les cellules solaires. Un domaine de recherche actif se concentre sur l'établissement des niveaux d'impureté qui peuvent être tolérés par les cellules solaires, ainsi que sur la conception de stratégies de traitement visant à atténuer et/ou à passiver ces défauts. De telles améliorations devraient réduire à la fois le temps de récupération de l'énergie et l'écotoxicité
associés à la production de silicium
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