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Qu’est ce que le solaire photovoltaïque?

Daniel LINCOT

Institut Photovoltaïque Ile de France (IPVF)

8 rue de la Renaissance, 92160 Antony

[email protected]

Journée « Sciences Humaines et Sociales & Photovoltaïque »

Mardi 25 Avril 2017, Saclay

D. Lincot, Journée « Sciences Humaines et Sociales et Photovoltaïque » 25/04/2017

217 march 2016 IRDEP-IPVF

The Platform from 2017

New dedicated building at the heart of the Paris-Saclay campus


317 march 2016 IRDEP-IPVF 5

4

Gap, Vco (V)

Rendement (%)

Ph

oto

cou

ran

t id

éal (

mA

/cm

2)

Puissance incidente hors atmosphère: 1360 W/m2

En un an : 10,6 MWh/m2 soit près d’une tonne équivalent pétrole (11,6 MWh)Puissance incidente de référence au niveau du sol : 1000 W/m2 soit 1 GW/km2

La ressource solaire

Maximum

0,5 micron

E (eV).l =1,24

2,5 eV =3,2 10-

19Joule

Le soleil se comporte

comme un corps noir

à 6000°C


Un m2 reçoit de 0,8 à 3 MWh/an

290

110

200

50

Plein soleil : environ 1 GW / km2

La ressource Solaire

1 tonne équivalent pétrole (Tep) = 11,6 MWh1 Joule = 1 W.s

Energie mondiale : 540 EJ (E: 1018) en 2015Puissance activité humaine : 17 TW


-0,75 V

1,1 V

0,8 V

-1,3 V

-0,4 V

L’effet photovoltaïque au cœur de la photosynthèse naturelle

Conversion photovoltaïque : transformation de l’énergie lumineuse en énergie électrique

Puissance = tension électrique x courantP=UI

chlorophylle


Pote

nti

el é

lect

riq

ue

Distance

Mais comment se « brancher » artificiellement sur les paires électron-trou ?

Grâce aux semiconducteurs

photon1

2 3

E = hn

E = -qV

E = chaleur

énergie

potentiel

Métal

électron excité

trou

l

A

0

1

1

2 3

Semi-conducteur

BV

BC

BI

l

A

0

1

lBI

I

U

Photovoltaïque

Rc

6


V

Iobscurité

il lumination

Vco

Icc

point de fonctionnement

0

Pm

Eg/q

lg

Rendement quantique = e- produit / photon

Longueur d’onde

1

0

300 mn

I = I0 [exp (qV/nkT) – 1] - IL

Bande de valence

Bande de conduction

R

T

Puissance lumineuse, Plum :1000 W/m2

Puissance électrique : Pel= VI

Rendement : R= Pel/Plum

Caractéristique courant tension1954 : La naissance des cellules photovoltaïques au silicium

1idéal

réelRéponse spectraleGap

Energie


W.G. Adams & R.E. DayCellules Se 1%

Chapin &Fuller&PersonSi(6%)

1905

Einstein

Effet

photoélectrique

26,6% (2017)

Meilleurs

modules

Moyenne

modules

Cellules record

1954 1975 1985 1995 2005 201519651839 1877

15

20

25

30

10

5

24%

16-17 %

L’épopée scientifique et industrielle du photovoltaïque

Rendement des cellules silicium


1999

homojonctions

2014

Hétérojonctions

(HIT) à contact arrière

Innovation scientifique et technologique majeure


Sun Power : Cellules industrielles à 25,2% (2015) - Premiers modules à 24,1% (record mondial) (juin 2016)

Transfert rapide à l’Industrie


2015 : 220 GW (1,3% de la production électrique mondiale)2016 : 300 GW (75 GW en 2016 dont 35 en Chine)Projection 2020 : 500 GWProjection 2050 : 4,5 TW , 16% de l’électricité mondiale (AIE)

2000 : l’Envolée industrielle du Photovoltaïque TerrestreL’entrée dans la cour des grands


Les cellules solaires en couches

minces

Exemple : les cellules à base de CIGSDiséléniure de Cuivre de Gallium et d’Indium :

Cu(In,Ga)Se2

Avantage : Cellules directement déposées sur le support et d’épaisseur très faible (quelques microns)


CIGS (22,6%)

C

Evolution des rendements record des cellules en couches minces à base de CIGS

ruptures

Si

Si


Verre

Mo (0,5 mm)

P CuInSe2 (2 mm)

N+ CdS:In/Ga (1-2 mm)

6

Not to scale

Contacts

<1980

8%


Verre

Mo (0,5 mm)

P Cu(In,Ga)Se2

ZnO(Al)ZnO(Al)1 micron

Couche CIGS : 1,5 micron

Contacts

Couche Molybdène (0,5 micron)

Support

Ga Rich

In rich

Ga rich

Couche tampon (ZnS) 50 nm

201622,6 %


Jorge POSADA - Comité scientifique du projet B 09/11/2016

Cellules CIGS ultralégères sur support plastique

17

J. Posada, T. Hildebrandt, F. Donsanti, N. Naghavi


Jorge POSADA - Comité scientifique du projet B 09/11/2016

Cellules CIGS ultralégères sur support flexible

18

J. Posada, T. Hildebrandt, F. Donsanti, N. Naghavi

Procédé en 3 étapes : 1re et 3e étape – évaporation d’In et Ga sous atmosphère de Se et2e étape – évaporation de Cu sous Se

CIGS (2,5 µm)

Rendement actuel 18-19 %


Le foisonnement des recherches sur les cellules photovoltaïques


https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png

Une question fondamentale : Quel est

le rendement maximum d’une cellule

photovoltaïque ?

Jusqu’où peut on aller ?

IPVF – Forum sur la transition énergétique 05/10/2016

Rendement théorique d’une cellule monojonction

IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS, VOL. 5, NO. 4, JULY 2015Russell M., Geisthardt, Marko Topic and James R. Sites

21

BV

BC

R

T photocourant

tension



Evolutions comparées des rendements

Mono- Si (26,3%)

Limite de Schockley Queiser

Mono-C GaAs

Poly-C Si (21,3%)%

CIGS (22,6%)

28,8%

CdTe (22,2%)

aSi (13,6%)

Limites pratiques des cellules solaires classiques : autour de 30 %

22D. Lincot, Journée « Sciences Humaines et Sociales et Photovoltaïque » 25/04/2017


The conversion efficiency limitFor a single junctionSchockley Queisser

Limite théorique

BV, HOMO

BC, LUMO

R

T

T : perte d’énergie par thermalisation

R : perte d’énergie par recombinaison

Rendement théorique de la conversion photovoltaïque

L.C. Hirst et al. – Progress in Photovoltaics – 2011; 19:286-293

23

Daniel Lincot : Séminaire L’énergie solaire : Energie du futur ? Collège de France 21/04/2017



Un concept établi : les multijonctions


La voie des multijonctions

Record jonction tandem : Si-GaInP 31,4 % (EPFL-NREL)


Nouveau paradigme du photovoltaïque

perovskite

s

DSSC and OPV

Processus de différentiation

Limite SQ < 30 %

1954-2015

Processus de convergence

Post SQ 30-40-50%

> 2015

30x30x30 goal



L’initiative 30-30-30

Un point de passage partagé avec des représentants des plus grands centres de recherche internationaux :

Vers des modules photovoltaïques avec

un rendement

> 30% pour un prix

< 30c$/Wc

à l’horizon

2030


Daniel Lincot : Séminaire L’énergie solaire : Energie du futur ? Collège de France 21/04/2017


Photovoltaïque et Société


Un développement foisonnant et diversifié des applications

Un impact de plus en plus important et visible dans l’évolution de la société et son rapport à l’énergie


Ferme solaire Longyangxia Dam, Chine. Crédit : NASA

27 km2

1- Chine, Qinghai, Février 2017Inauguration de la plus grande ferme solaire du mondeen Chine, Longyangxia Dam

4 millions de panneaux solaires850 MW

2- Inde, Kamuthi, 648 MW

3- USA, Californie, Topaz, 579 MW

13-France, Cestas, 300 MW (2015)

En projet : Chine, Ningxia, 2 GW

Le développement centralisé : Les grandes fermes photovoltaïques


Le développement décentralisé en milieu urbain et agricole

Mouvement de fond

Lien avec le développement de l’autoconsommation/stockageMobilité électrique solaireHabitat à énergie positiveNouvelles ressources financières (énergieculteurs)Développement de modèles d’économie collaborative


Une multiplication des innovations

Photovoltaïque flottant

Route SolaireAvion solaire

Photovoltaique déployable


Modules Photovoltaïques blancs et colorés2015 –EPFL Suisse

Modules Photovoltaïques Transparents2015 –MIT


Materials Matters (2015)Sygma Aldrich


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