Energie Solaire Photovoltaïque P. Roca i Cabarrocas - IPN

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Energie Solaire Photovoltaïque P. Roca i Cabarrocas - IPN

Energie Solaire Photovoltaïque

P. Roca i Cabarrocas

Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches Minces

Ecole Polytechnique Palaiseau

roca@poly.polytechnique.fr


PLAN

1. Contexte énergétique

2. Une source d’énergie (réacteur de fusion)

3. Conversion photovoltaïque

4. Les filières

5. Perspectives


1. Contexte énergétique

Energy end-use (EU-15, 2002)

Households and services

Other including

electricity

375 Mtoe

(39%)

Heat

Oil products

Electricity

Electricity

Transport

Heat

369 Mtoe

(28%)

Industry

313 Mtoe


Renewable energy sources

in the energy supply (EU-15, 2002)

OIL

41%

NUCLEAR

15%

Biomass

63%

PV 2%

RES

6%

Solar 6%

GAS

23%

COAL

15%

Hydro 28%

Wind 41%

Others 8%

Geothermal 51%


1. Contexte énergétique

En 2003, la consommation électrique mondiale était d’environ 15 000 TWh.

La consommation électrique en France était de 470 TWh.

Terawatt-heure : milliard de kW


1. Contexte énergétique

Croissance de la population mondiale. En 2050 ~ 10 milliards d’habitants

Production de CO 2 ?


2. Le soleil


Le soleil

Corps noir à ~ 5800 K

Distance à la terre

150x10 6 Km

Air Mass 0

AM0 ~1380 W/m 2

AM1 ~1000 W/m 2

Gigatep : milliard de tonnes équivalent-pétrole

Terawatt-heure : milliard de kWh.

1 Tep ~10 7 Kcal

Kwh = 3.6x10 6 Joules = 860 Kcal


L'Europe (et la France) est divisée en 3 zones "solaires"

Il y a des pays dans les trois zones où le marché solaire est important (en jaune sur la carte)

Cette carte est reproduite d'après l'étude "Sun

in Action" réalisée par la Fédération de

l'Industrie Solaire Européenne (ESIF) dans le

cadre du programme Altener de la Commission

Européenne DG XVII.

EUR.OP

L-2985 Luxembourg

ISBN 92-827-8720-6

Zone A : l'Europe du Nord, du Royaume Uni à la Pologne. La plupart

de l'Allemagne avec un marché solaire important se trouve dans cette

zone.

- Rayonnement solaire quotidien moyen

= 2.4 à 3.4 kWh/m2

- Productivité moyenne annuelle d'une installation solaire = 300 à 400

kWh/m2

Zone B : l'Europe Centrale, de la France à Roumanie. L'Autriche avec

un marché solaire important se trouve dans cette zone.

- Rayonnement solaire quotidien moyen

= 3.4 à 4.4 kWh/m2

- Productivité moyenne annuelle d'une installation solaire = 400 à 500

kWh/m2

Zone C : l'Europe du Sud, du Portugal à Bulgarie. La Grèce avec un

marché solaire important se trouve dans cette zone.

- Rayonnement solaire quotidien moyen

= 4.4 à 5.4 kWh/m2

- Productivité moyenne annuelle d'une installation solaire = 500 à 600

kWh/m2

On doit rappeler que ces valeurs de productivité concernent des

installations avec des capteurs vitrés qui fonctionnent en permanence

pendant toute l'année. La productivité des installations saisonnières

comme le chauffage, ainsi que des chauffe-eau solaires individuels où

les propriétaires partent en vacances, sera forcément réduite.

http://www.outilssolaires.com/infos/prin-ensoleil.htm


Conversion photovoltaïque

30% de croissance annuelle sur les 10 dernières années

Compétitive pour les applications niche

Objectif Européen: 4% de l’électricité générée en 2030

(“A vision for photovoltaic technology”, PV-TRAC report 2004)

http://www.iea-pvps.org/


Les fabricants


http://www.iea-pvps.org/

Marchés et coûts


3. Conversion photovoltaïque


Principes de base

Effet photoélectrique

Matériau avec au moins deux niveaux d’énergie semi-conducteu

E = hν

E c 1. Absorption

2. Thermalisation

E v

3. Recombinaison

4. Séparation de charges

Dans une cellule solaire on évite la recombinaison en créant un champ

Électrique qui sépare les électrons vers le contacte négatif

et les trous vers le contacte positif

Jonction P/N

Hétéro-jonction


Principes de base

Rendement quantique: électrons/photon

Gap c-Si


Principes de base

Rendement énergétique

J

V m

V oc

V

J m

Comment aller au-delà de 25% ?

P max

J cc

=

J

P

m

⋅V

m

incident

=

FF ⋅ J

P

sc

⋅V

incident

oc


4. Les filières


Les filières du Photovoltaïque


Silicium cristallin

Point de départ: barreau de silicium

‣85% de la production totale

‣Silicium monocristallin

‣Siliciumm polycristallin

éthode Czochralski

‣Rendements record 21-24 %

‣Rendement modules 13-17 %

‣Matériau de départ: déchets

de la microélectronique


Silicium Polycristallin

• Réduction des coûts

• Rendements > 15%

Fusion du Si à ~1500 °C

Découpage en barreaux

Découpage plaquettes

~300 µm

Four de diffusion

POCl 3

800°C jonction PN

Décapage plasma des bord

Dépôt plasma a-SiN:H

Dépôt contacts

Recuit des contacts


www.photowatt.com

PWX500 307€ pour 50 Wc

Module PhotoWatt


Silicium Polycristallin

Réduction des coûts méthodes moins coûteuses petits grains


Couches Minces 0.3 – 3 µm

Plusieurs technologies en concurrence

CdTe (First Solar, ANTEC)

CIS (Würth Solar, Shell Solar,

a-Si:H (RWE, Intersolar, FEE, Solems, KANEKA, Sharp,

Canon, USSC, Iowa thin films,….

Dye-cells

Actuellement moins de 10% de parts du marché

Fort potentiel de réduction de coûts pour des usines de > 100 MW

Rendements 7-10% pour les modules

Intégration dans le bâtiment

Fort potentiel de croissance


Couches Minces: plusieurs voies avec une forte synergie

P. Roca, LPICM Ecole Polytechnique, F-91128 Palaiseau Cedex

Mêmes substrats, couches d’ITO, mise en série,….

Plusieurs choix pour la couche active: a-Si:H, µc-Si:H, pm-Si:H

CIS, CdTe,…

Glass (substrate)

SnO 2 (TCO front

contact)

{

p-layer

} a-Si: H

i-layer

n-layer

ITO (reflection

enhancement)

Al (back contact)


Couches minces a-Si:H

Dépôt plasma à basse température

Substrat de verre ou plastique

Grande surface

SnO 2

Al contact

N(a-Si:H)

Intrinsic a-Si:H

~0.3 µm

Glass substrate

10 nm

P(a-SiC:H)

E c

E=hν

E F

E v

P I N

E


Couches minces versus massif

Fort potentiel de réduction des coûts


Cellules PIN et tandem PIN/PIN

O 2

Structure PIN

Contact Al

N(a-Si:H)

I (a-Si:H)

~0.3 µm

Substrat de verre

10 nm

P(a-SiC:H)

Tandem

PIN/PIN

Back

contacts

µc-Si:H

(Bottom cell)

Spectral response [a.u.]

15

a-Si:H

µc-Si:H

Micromorph

400 600 800 10

Wavelength [nm]

light

a-Si:H

(Top cell)

TCO

Glass

Current (mA)

10

5

1 cm 2 Hybrid cell

AM 1.5, 25 o C

(KANEKA double-light

source simulator)

Jsc: 14.4 mA/cm 2

Voc: 1.41 V

F.F. : 0.719

Eff: 14.5%

0

0 0.5 1 1


Technologie Couches Minces


Mitsubishi Heavy Industries

PIN µcSi 8.8% à 2.5 nm/s

Module PIN/PIN 40x50 cm 2

11.1% à 2.1 nm/s

100W pour 20 Kg


UniSolar: procédé "roll-to-roll"

Evolution de la capacité de production. Cellules triple jonction

Production Capacity [MW/yr]

35

30

25

20

15

10

5

0

28%/yr growth rate

1986 0.6 MW

1991 2.0 MW (2 junction, 1 bandgap)

1996 5 MW (3-jnct, 3 bandgap)

2002 30 MW

1985 1990 1995 2000 2005

Year

Nouvelle ligne de 25 MW prévue pour septembre 2006


Matériaux organiques

Beaucoup d’espoir en raison du succès des OLEDs

Plusieurs types de molécules et méthodes de préparation

En général très sensibles à l’air

Dégradation, stabilité long terme,…

Rendements actuels ~ 5%

Fort potentiel de réduction des coûts


Course au rendement


5. Perspectives ?


Mot d’ordre: réduction du €/Watt

€/kWh

1,0

0,8

0,6

900 h/y:

0.60 €/kWh

North of

Europe

1800 h/y:

0.30 €/kWh

South of

Europe

0,4

0,2

Utility Peak Cost

Bulk Cost

0,0

1990 2000 2010 2020 2030 2040

Comment ?

Augmenter le rendement

Réduire les coûts de production


Le paradis du photovoltaïque

cirque de Mafate sur l’île de la Réunion. Moyenne de 7 kWh/m 2 /jour

00 habitants vivent en quasi autarcie énergétique.

Merci de votre attention !


Exemple

Pavillon avec 40 m 2 de panneaux PV sur le toit, rendement de 10%

Coût de l’installation ~ 40 x 500 = 20 k€

Ensoleillement moyen de 5 KWh/m 2 /j

Production annuelle d’électricité: 365 x 5 x 40 x 0.1 = 7300 KWh

Connecté au réseau

Prix de rachat EdF ~ 0.5€/KWh

On produit 3650 €/an

Sur 20 ans cela fait 73000 €

Prix égal à celui d’EdF 0.13 €/KWh ---- 18980 €


echnologie

photovoltaïque :

FEE

boratoires CNRS

EA

dustriels

LPICM : Si mince

LGEP, LPSC caract

LCMTR: Si massif

LECA : CIS

CISEL : LECA +

Solems

EDF+St Gobain (CIS)

CEA: organique

PHASE : Si massif, mince et org.

IPCMS : organ.

ECPM : polymères

CNRS: Process PV

ate-formes

otoVoltaïques:

LCS,LAMP : CIS

cristallin (CEA)

égion Grenobloise:

estaure «Sinergies »

DEP (EDF-CNRS)

égion Parisienne:

CISEL »

atériaux avancés

égion Alsace: (CNRS)

PIOM:organique.

ERT-CSPVP Orga

LAAS : systèmes

LGET: org.

CEM2 : CIS,

systèmes

INES

Emix

Photowatt

INSA-LPM

CEA : Si massif

Si massif, mince

Apolon

CEA : Systèmes

TECSEN:

Si massif

& caract.

Armines

ADEME

SPE: systèmes


Le Monde 18/19 Novembre 2007

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