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L'énergie solaire : photovoltaïque et thermique

I) Introduction

L'énergie photovoltaïque, c'est-à-dire l'électricité produite à partir du rayonnement solaire, fait partie des énergies de sources renouvelables avec la biomasse, les énergies hydraulique, géothermique et éolienne. Le développement de ces énergies renouvelables est indispensable dans le but d'offrir une alternative aux énergies fossiles (très polluantes) mais également, dans le cas où ces énergies sont produites sur le territoire, d'assurer une indépendance et une sécurité énergétiques. L'énergie photovoltaïque contribue également, en France, à la réalisation des objectifs du Grenelle de l'environnement qui prévoit pour 2020 :

- une part de 23% des énergies renouvelables dans le bouquet énergétique français
- des émissions de dioxyde de carbone réduite de 20% par rapport à 1990
- une augmentation de 20% de l'efficacité énergétique par rapport à 1990

En ce qui concerne l'énergie photovoltaïque sur le territoire français, l'objectif est d'obtenir une puissance installée en 2020 de 5400 MW (en 2009, la puissance installée raccordée au réseau est de 140 MW).

II) Principe de l'effet photovoltaïque :

La production d'électricité par les cellules photovoltaïques repose sur l'effet photovoltaïque qui a été découvert par le polytechnicien Antoine Becquerel (grand-père du découvreur de la radioactivité) et par son fils Alexandre en 1839 qui ont observé le comportement d'électrodes dans un liquide conducteur exposé à la lumière.
Pour créer l'effet photovoltaïque, on place face à face deux cellules : l'une est de type "n"(dans laquelle la concentration en électrons est augmentée), l'autre de type "p"(cellule possédant un manque d'électrons). Ainsi, après recombinaison des charges libres (les électrons (charges négatives) et les trous (charges positives)), un champ électrique s'instaure. Par conséquent, lorsque les photons (la lumière) heurtent les électrons avec une énergie supérieure à celle nécessaire pour les libérer de leur atome, les électrons libérés se mettent en mouvement sous l'action du champ électrique : il y a apparition d'un courant électrique.
Les panneaux photovoltaïques fournissent un courant continu ; l'onduleur permet de convertir ce courant continu en un courant alternatif dans le but, par exemple, de raccorder l'installation au réseau.

III) Production des modules photovoltaïques :

Le silicium cristallin est l'élément de base de l'essentiel de la production d'équipements solaires (plus de 80% du marché).
Le silicium est obtenu à partir de la silice qui se trouve notamment dans le sable et dans le quartz. C'est le deuxième élément le plus présent sur Terre, après l'oxygène. Seule la silice contenue dans le quartz est utilisée dans l'industrie photovoltaïque.
Voici les différentes étapes du processus d'obtention du silicium utilisé pour la fabrication de cellule photovoltaïque :

- Extraction dans un minerai de quartz (qualité métallurgique : pureté de 98%)
- Réduction : grains de silicium purifiés à 99.99%
- Purification : qualité photovoltaïque correspondant à une pureté de 99.9999%
- Production de lingots pour l'insertion dans le cycle industriel
- Débit des lingots en blocs
- Les blocs sont sciés en plaquettes de 0.1 à 0.4 mm d'épaisseur
- Traitement des plaquettes pour réaliser l'effet photovoltaïque

Les cellules traditionnelles sont fabriquées à base de silicium monocristallin ou multicristallin :

Le silicium monocristallin : lors de la phase de refroidissement, le silicium est solidifié en un unique cristal. Il est ensuite découpé en plaquettes qui seront transformées en cellules. Un panneau photovoltaïque fabriqué à partir de silicium monocristallin permet d'obtenir des rendements de l'ordre de 15 à 16%. C'est la technologie qui possède le plus haut rendement sous un éclairage direct.
Néanmoins, le coût de production est élevé et les performances des panneaux photovoltaïques au silicium monocristallin sont réduites dès lors que les conditions d'ensoleillement se dégradent.

Le silicium multicristallin : Plusieurs cristaux se forment lors du refroidissement consécutif à la fusion du silicium. Le rendement du multicristallin (14% environ) est plus faible que pour le monocristallin mais est moins coûteux.

D'autres technologies sont utilisées pour fabriquer les cellules. Elles consistent à déposer des couches minces d'un matériau semi-conducteur sur un substrat.

Les couches minces de silicium : La combinaison du silicium et d'hydrogène permet de former le silicium amorphe, matériau semi-conducteur et désordonné. Un dépôt d'épaisseur inférieure à un micron permet d'absorber le spectre solaire. De plus, le silicium amorphe peut être déposé sur des polymères flexibles.
Les panneaux photovoltaïques en silicium amorphe possèdent des rendements assez faibles en plein soleil de l'ordre de 8%. En outre, ce rendement a tendance à diminuer durant les premières années d'utilisation : il s'érode à 7% environ.
Un coût de revient faible, une fabrication peu énergivore, et une performance accrue dans des conditions d'ensoleillement faible peuvent compenser les faibles rendements obtenus avec cette technologie, qui, en conséquence, est adaptée aux régions nuageuses.
Enfin, la multijonction, c'est-à-dire le couplage du silicium amorphe avec d'autres semi-conducteurs, permet d'augmenter le rendement.

Le tellurure de cadmium (CdTe) possède un rendement de 10%, légèrement supérieur à celui du silicium amorphe. C'est une technologie peu onéreuse et facile à synthétiser mais dont le potentiel d'amélioration du rendement semble limité. Contrairement au silicium, le tellurure est rare, ce qui peut entraver le développement commercial du produit, et le cadmium n'existe pas à l'état natif sur Terre et est potentiellement toxique.

Le di-séléniure de cuivre-indium (CIS) possède un rendement de 13%. Pour permettre le mouvement des électrons, une hétérojonction est nécessaire comme, par exemple, l'ajout d'oxyde de zinc ou de sulfure de cadmium. La technologie au CIS est deux fois moins onéreuse que la technologie utilisant du silicium traditionnel. De plus, la teinte possible des cellules permet une meilleure implantation dans le paysage. Cependant, l'indium est relativement rare sur Terre (seulement trois fois plus abondant que l'argent).

Les cellules photovoltaïques de troisième génération, encore en phase d'amélioration, sont composées de polymères dont la fabrication est peu énergivore et peu onéreuse. Cependant, la durée de vie de tels panneaux solaires n'est pour l'instant que de cinq ans, avec des rendements inférieurs à 5%.
Les systèmes à concentration, installés sur des dispositifs mécaniques permettant de suivre la course du soleil, permet de concentrer la lumière solaire sur une surface restreinte de cellules photovoltaïques, permettant ainsi d'obtenir des rendements élevés.

IV) Récapitulatif des rendements en fonction des technologies :

- Silicium monocristallin : 16%
- Silicium multicristallin : 14%
- Di-séléniure de cuivre-indium (CIS) : 13%
- Tellurure de cadmium (CdTe) : 10%
- Couches minces de silicium : 8%

V) Dispositif tarifaire français :

Les tarifs d'achat de l'électricité produite à partir des panneaux photovoltaïques sont fonctions du type d'installation produisant l'électricité revendue.

VI) Avantages du photovoltaïque :

L'impact sur le paysage des panneaux solaires est bien moindre que celui généré par les éoliennes par exemple. L'installation de panneaux solaires sur les toits de hauts bâtiments permettrait de réduire à néant la pollution visuelle. De plus, aucune pollution sonore n'est engendrée par les panneaux solaires.

L'installation de parcs solaires sur des terres polluées ou sur d'anciens sites miniers couplée à la disposition, au pied des installations, de plantes permettant d'exfiltrer les composés toxiques aurait un impact positif : celui de dépolluer un terrain inexploitable pour le rendre disponible après la désinstallation du parc solaire.

Les rendements des panneaux photovoltaïques, relativement faibles pour le moment, ne cessent d'augmenter, ce qui traduit une grande capacité de développement.

Les systèmes photovoltaïques les plus répandu ont une durée de vie supérieure à vingt ans, ce qui leur permet d'afficher un bilan énergétique positif. Il faut en effet entre un an et demi et trois ans pour qu'un panneau solaire fournisse autant d'énergie que celle nécessaire lors de sa fabrication.

VII) Principal inconvénient du photovoltaïque :

L'énergie photovoltaïque reste, pour le moment, l'énergie renouvelable la plus onéreuse. Néanmoins, les avancées scientifiques permettent de diminuer le coût. A terme, les panneaux solaires seront intrinsèquement rentables ; par conséquent, le faible coût d'achat et l'augmentation du rendement des panneaux solaires devraient compenser la disparition, ou du moins la forte diminution, des aides tarifaires de l'Etat. De plus, il demeure des incertitudes sur la qualité du recyclage des panneaux solaires.

Sources :

- Rapport d'information du député Serge Poignant sur l'énergie photovoltaïque
- Sites internet gouvernementaux

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