Panneau solaire - Définition

Un panneau solaire ou capteur solaire est un dispositif destiné à récupérer une partie du rayonnement solaire pour le convertir en énergie solaire utilisable par l'homme. ^[1]

On distingue essentiellement deux types de panneaux solaires :

• les panneaux solaires thermiques, appelés capteurs solaires thermiques, qui convertissent la lumière en chaleur ;
• les panneaux solaires photovoltaïques, appelés modules photovoltaïques, qui convertissent la lumière en électricité.

Dans les deux cas, les panneaux sont habituellement plats, avec une longueur et une largeur de quelques mètres. Ils sont dimensionnés pour faciliter leur installation et leur prix est fixé de sorte qu'ils trouvent des applications domestiques ou industrielles.

Les panneaux solaires thermiques sont actuellement plus viables économiquement que les modules photovoltaïques. Les panneaux solaires sont les composants de base de la plupart des équipements de production d'énergie solaire.

L'intérêt d'utiliser des panneaux solaires apparaît vite lorsqu'on sait qu'un champ photovoltaïque de 329 km de coté, soit seulement 1,125 % de la superficie de l'Europe, pourrait couvrir la totalité des besoins mondiaux en électricité : le rendement d'une installation photovoltaïque étant estimé entre 15 - 17 % (en 2007) soit 160 kWh/an/m² avec des besoins mondiaux estimés à 17 300 TWh ( chiffre 2005 ) .

Panneaux solaires thermiques

Il existe deux types de panneaux solaires thermiques : les capteurs à eau et ceux à air.

• Dans les capteurs thermiques " à eau ", l'eau ou plus souvent un liquide caloporteur à circuit fermé , (cf chauffe-eau solaire) circule dans des tubes munis d'ailettes. Pour obtenir un meilleur rendement, l'ensemble est placé dans une boîte vitrée isolante afin d'obtenir un effet de serre. Avec un ensoleillement important, et si les besoins en eau chaude sont modérés, un simple réseau de tubes à ailettes peut suffire. Les ailettes, qui forment ce qu'on appelle l'absorbeur, sont chauffées par le rayonnement solaire et transmettent leur chaleur à l'eau qui circule dans les tubes. Les capteurs solaires à eau sont utilisés pour le chauffage et/ou pour produire de l'eau chaude sanitaire (ECS). C' est actuellement la solution la plus raisonnablement rentable en terme de solaire, d'autant qu'un tel matériel est amorti en moins de 5 ans en moyenne pour un foyer et qui en plus est défiscalisé à plusieurs échelles de l'État.

• Dans les capteurs thermiques " à air ", c'est de l'air qui circule et qui s'échauffe au contact des absorbeurs. L'air ainsi chauffé est ensuite ventilé dans les habitats pour le chauffage ou dans des hangars agricoles pour le séchage des productions.

En France le "Plan Soleil", lancé en 2000 par l'ADEME pour les chauffe-eau solaires et la production de chaleur, incite les particuliers à s'équiper en solaire grâce à des aides incitatives de l'État, les Régions, certains Départements et certains regroupements communaux (lien) .

Panneaux solaires photovoltaïques

Les panneaux solaires photovoltaïques regroupent des cellules photovoltaïques reliées entre elles en série ou en parallèle.

influence de l'ensoleillement

Avant de s'équiper en panneaux photovoltaïques , il est intéressant de savoir ce qu'on peut en tirer au lieu géographique qui nous concerne . Pour celà , la Communauté Européenne a mis en ligne un logiciel gratuit qui permet à tout citoyen de l'Union où qu'il se trouve dans la Communauté de connaître l'ensoleillement dont il bénéficiera^[2] . Après quelques essais pour se familiariser avec ce logiciel , on découvre qu'à Liège on a 840 heures d'ensoleillement par an , Hambourg 870 , Colmar 940 , Rouen 950 , Munich 950 , Arcachon 1100 , Chamonix 1110 , La Rochelle 1140 , Agen 1150 , Perpignan 1290 , Eraklion Crête 1310 , Madrid 1400 , Cannes 1465 , Séville 1470 , Malte 1480 , Faro Portugal 1550 . Ces heures d'ensoleillement sont des heures équivalent plein soleil . En effet , un panneau solaire n'est qu'exceptionnellement exactement face au soleil puisque la terre tourne sans arrêt et que l'inclinaison du soleil par rapport au panneau évolue en permanence . Au cours d'une journée sans nuage la production électrique du panneau varie également en permanence en fonction de la position du soleil et n'est jamais à son maximum sauf au bref passage du plein midi . La production en fin de journée est donc une somme de productions partielles . Par temps couvert , donc en l'absence de soleil , la luminosité ambiante , alors que le soleil est caché , permet quand même une toute petite production électrique , et ces petites productions additionnées finissent par faire des kWh . En fin d'année à partir du total de la production électrique on obtient le nombre d'heures d'équivalent plein soleil de l'année qui n'a rien à voir avec le nombre d'heures d'ensoleillement au sens météo .

Le nombre d'heures d'ensoleillement vu par les services météo ou les climatologues n'est pas de la même nature . Soit il y a du soleil soit il n'y en a pas . La carte de l'ensoleillement peut être consultée ici^[3] . On constate que Rouen est située sur la ligne des 1750 heures d'ensoleillement par an , chiffre bien différent des 950 heures d'équivalent plein soleil des producteurs d'électricité photovoltaïque Rouennais .

influence de l'évolution récente des rendements

En 1995 , les rendements des panneaux monocristallins étaient d'environ 10% , en 2000 d'environ 12% et actuellement ( 2007 ) suivant les fabricants , de 15 à 17 % . En 12 ans la croissance des rendements a donc été de près de 60% . Pour estimer une production électrique , il faut donc connaître l'ensoleillement du lieu mais également le rendement des panneaux . Une fois obtenu l'ensoleillement du lieu avec le logiciel de la Commaunauté Européenne , il suffit de le multiplier par le rendement des panneaux pour avoir la production électrique annuelle estimée . Ainsi pour Rouen avec 950 h et des panneaux d'un rendement de 15 % , on arrive à 950 x 0,15 = 142,5 kWh / an / m² . Il vaut mieux faire le calcul soi même plutôt que se fier à ce qui a été effectué à une autre époque et repris ici où là sans que le détail des éléments pris en compte dans le calcul soit précisé . La rapidité de l'évolution récente rend très vite obsolète des résultats obtenus il y a quelques années seulement . Comme il est prévisible que cette tendance va continuer dans les années qui viennent , faire son propre calcul semble donc une attitude à conserver .

Pour estimer la surface de panneaux souhaitable , l'étude des habitudes de consommation au cas par cas est nécessaire . Tout dépend également du résultat final que l'on veut obtenir . On peut vouloir ne produire qu'une partie de sa consommation ou aller jusqu'à compenser la totalité . On peut même vouloir dépasser sa consommation et devenir revendeur net .

Il existe différents types de panneaux solaires photovoltaïques :

Les panneaux au silicium mono ou polycristallin

1 m² de cellules photovoltaïques délivre une puissance d'environ 100 à 200 W.

Aux latitudes tempérées, l'énergie captée pour une année est de l'ordre de 150 kWh pour un mètre carré ( les rendements ont augmenté depuis quelques années ) . Il n'en reste pas moins que le photovoltaïque est encore trop cher malgré une baisse des prix rapide et récente .

Le matériau de base destiné à fabriquer les cellules constitutives des panneaux solaires photovoltaïques est le silicium. Le silicium naturel n'est pas utilisable directement et il doit subir quelques traitements car c'est un isolant électrique et il doit devenir un semi conducteur . Il faut d'abord le débarrasser des impuretés qu'il contient . Ensuite , il faut lui réintroduire quelques atomes de phosphore et de bore . La partie "dopée" au phosphore devient du silicium "de type N" et la partie dopée au bore de "type P" ( voir wikipédia sur les semi conducteurs ) . La jonction des 2 types de silicium P et N donne un semi conducteur utilisable soit dans l'électronique pour la fabrication des diodes ; transistors ; circuits intégrés et microprocesseurs (communément appelés "puces") , soit pour la fabrication des panneaux solaires .

Les fournisseurs du silicium utilisé pour fabriquer les cellules des panneaux solaires photovoltaïques étaient jusqu'ici exclusivement les fabricants de silicium de l'industrie électronique. Ce silicium électronique est pur à 99,999999%, pureté demandée par ladite industrie . Depuis peu ( courant 2006 ), une autre source de silicium est utilisée : le silicium métallurgique pur à 98%. Ce type de silicium ainsi dénommé par son usage dans l'industrie métallurgique, présente les avantages d'être moins cher que le précédent et de dépenser moins d'énergie pour sa fabrication. Cette nouvelle source de matière utilisable après avoir subit un traitement approprié pour devenir du silicium solaire de qualité intermédiaire entre les deux silicium cités plus haut , va permettre à terme de faire baisser les prix des cellules et panneaux sans en altérer la technicité . Pour l'année 2006 , pour la 1ere fois , l'industrie photovoltaïque a consommé plus de silicium que l'industrie électronique .

En 2006, la croissance de la production mondiale de panneaux solaires a été freinée par manque de capacité de production de silicium. Une forte croissance de la demande a entraîné un déséquilibre du marché. Cette demande 2 fois supérieure à l'offre a créé une pénurie de silicium. Les capacités de production de silicium sont en augmentation rapide dans le monde, mais malgré tout, on s'attend pour 2007 et peut être encore 2008 à ce que la pénurie perdure. Sans cette difficulté d'approvisionnement, le développement du solaire photovoltaïque aurait été spectaculaire, mais personne parmi les acteurs de la filière n'avait prévu cet engouement qui a pour origine l'augmentation des prix des énergies fossiles.

Le silicium est produit sous forme de barres nommées " lingots " de section carrée. Ces lingots sont ensuite sciés en fines plaques carrées de 200 microns d'épaisseur qui sont appelées " wafers ". Après un traitement pour injecter en surface du bore et du phosphore et ainsi obtenir du silicium semi conducteur , les wafers sont " métallisés " : des rubans de métal sont incrustés en surface et reliés à des contacteurs électriques qui vont permettre aux électrons de circuler et produire de l'électricité . Une fois métallisés les wafers sont devenus des cellules photovoltaïques. L'assemblage d'un groupe de cellules reliées entre elles à l'intérieur d'un cadre étanche aux intempéries forme un panneau solaire monocristallin .

Les panneaux solaires polycristallins ou multicristallins , sont fabriqués avec une couche de silicium plus fine de 15 à 50 microns suivant les fabricants . Pour économiser de la matière première , on dépose une mince couche de silicium , composée d'une myriade de petits cristaux ( au sens évolutif de la technique , le papier de verre est un très lointain ancêtre primitif ) . Mais , si le coût est plus bas le rendement aussi et pour l'instant cette technique ne présente pas un avantage vraiment déterminant .

Dans l'état actuel des choses, un panneau photovoltaïque monocristallin au silicium électronique doit fonctionner deux ans pour " rembourser " l'énergie qui a été nécessaire à sa fabrication (voir Wikipédia sur les cellules photovoltaïques). Avec les progrès techniques en cours cette période est en diminution. Les cellules monocristallines sont passées de 300 microns d'épaisseur à 200 et on pense maintenant atteindre rapidement les 180 puis 150 microns, diminuant la quantité de silicium et d'énergie nécessaire, mais aussi les prix.

Jusqu'à maintenant, chaque fois que la production de panneaux a doublé, les prix de revient ont diminué de 20 %. Pour les nouvelles installations de chaque année, l'Allemagne, le leader mondial en surface installée, diminue le prix de rachat du kWh photovoltaïque pour suivre la baisse des prix de revient de ces nouvelles installations ; les tarifs contractuels des installations des années précédentes restant par ailleurs inchangés. Les aides au développement de cette filière par un prix de rachat " aidé " par l'état, diminuent donc année après année par m² installé ; ce qui permet, à budget constant, de subventionner chaque année une surface installée toujours plus grande.

Parmi les améliorations en cours de la technique photovoltaïque, on trouve l'ajout en surface d'un film anti reflet ( 2005 ) qui permet de diminuer le renvoi de rayons lumineux vers l'atmosphère et donc d'absorber une plus grande partie du flux lumineux . Toujours dans cette voie , Mitsubishi traite la surface de captage de la lumière par gravure ionique réactive qui diminue la réflexivité ( 2007 ) , tandis qu'un laboratoire d'Osaka traite la surface des cellules pour obtenir des micro cavités destinées à piéger la lumière ( 2007 ) .

Egalement , une équipe de l'université de Sydney a réussit ( mai 2007 ) a augmenter le rendement d'une partie des longueurs d'ondes de la lumière en déposant un film d'argent sur la surface de la cellule . En le chauffant à 200 degrés le film se craquelle en petites unités de 100 nm de côté . Ces nanoparticules d'argent excitent les plasmons de surface et augmentent le rendement de conversion de la lumière autour des 1.200 nm de longueur d'onde . Le rendement global de la cellule s'en trouve amélioré et serait porté à 24 % au lieu de 17 à 18 avec la technique actuelle du dopage au phosphore et au bore .

La production en ruban est une innovation de " Evergreen Solar " une start up du Massachusetts née en 1994, cotée au Nasdaq et qui a produit 30 MW de cellules solaires avec cette technique en 2006. Un film traverse un bain de silicium fondu et se charge sur chacune de ses deux faces d'une couche de silicium. En refroidissant se forment deux rubans de silicium d'une épaisseur inférieure à 150 microns. Il suffit ensuite de découper au laser ces rubans à distance régulière pour former des carrés de silicium (wafers). Ce procédé présente des avantages : dès maintenant l'épaisseur des cellules est descendue en dessous de 150 microns et plus besoin de scier les " lingots " d'où l'économie de l'épaisseur des " traits de scie " . On a ainsi une diminution de la quantité de silicium nécessaire par suppression des pertes de sciage et par une épaisseur plus faible des wafers. Pour ces deux raisons la quantité de silicium utilisée est moindre et le temps de production d'électricité par le panneau pour effectuer le " remboursement " de l'énergie nécessaire à sa fabrication est alors descendu à 18 mois. (source : Evergreen Solar)

Les panneaux à concentration solaire

Une autre innovation : à ce jour, la société Spectrolab détient le record du monde du meilleur rendement de conversion jamais mesuré sur une cellule photovoltaïque avec 40,7 % (annonce en décembre 2006, homologation devant un organisme d'état américain en janvier 2007). Cette valeur a été mesurée sur une cellule dite " multi-jonction ", qui consiste en un empilement de plusieurs cellules photovoltaïques convertissant différentes parties du spectre solaire (la cellule du haut convertit les photons les plus énergétiques, celle du milieu convertit les photons moyennement énergétiques, tandis que la cellule du bas convertit les grandes longueurs d'ondes, correspondant aux photons les moins énergétiques). Cette technologie permet d'optimiser l'absorption du flux solaire par la cellule, et ainsi d'accroître son rendement de conversion de manière significative.

Ces cellules sont constituées de Gallium, d'Arséniure de gallium et de Germanium. Le procédé de fabrication multicouche employé ici reprend tout simplement la technique de fabrication des circuits intégrés et des microprocesseurs maîtrisée et optimisée depuis longtemps par ailleurs.

À cause de son prix de revient élevé, ce type de cellule va être commercialisé dans des panneaux solaires à concentration. Ainsi la quantité de cellules sera diminuée à l'extrême puisque la concentration solaire sera de l'ordre de 500. Communément on dit que cette cellule fonctionnera à " 500 soleils ". De même la quantité d'énergie nécessaire au processus de fabrication va fortement baisser puisque la quantité de cellule sera diminuée du même facteur que la concentration solaire. Le prix de revient de ces panneaux, d'après les annonces qui ont été faites fin 2006, devrait s'orienter à la baisse également.

L'Europe qui développe le projet " full spectrum " en collaboration avec le CEA a pour sa part obtenu un rendement de 35,2 % en décembre 2006 avec une technique qui a aussi pour objectif d'exploiter une plus large bande du spectre de la lumière.

Toutefois, il ne faut pas confondre ces résultats et annonces records avec les possibilités offertes par une production industrielle de masse qui se situe plutôt au niveau des 30% de rendement avec ces systèmes à concentration annoncés à la commercialisation pour 2007 - 2008 aux États-Unis et en Allemagne.

La société Allemande Solar Tec AG ( voir lien ) a également mis au point un système à concentration . Elle annonce qu' 1 décimètre carré de cellules à concentration remplace 12 m² de cellules traditionnelles , que le rendement est de 30 % et le prix en baisse de 1/3 .

Une autre entreprise Américaine , Solient Energy , basée à Pasadena Californie , annonce également la production de panneaux solaires à concentration pour la fin 2007 . Les concentrateurs solaires seront cette fois linéaires et non circulaires . Là aussi les prix annoncés sont orientés largement à la baisse par rapport aux techniques existantes ^[4] . Solient travaillera en partenariat avec le MIT , pour parvenir à améliorer les techniques industrielles de production de ces panneaux à concentration .

De même , l'entreprise Britannique Microsharp travaille à la mise au point de panneaux solaires à concentration avec des concentrateurs de quelques microns ( 50 x 30 microns ) ^[5] . L'objectif là aussi est de parvenir à une baisse significative des prix de ce type de panneaux solaires .

Les panneaux à couches minces sans silicium

Une autre technique permet de se passer du silicium : une couche métallique mince de 5 microns déposée sur du verre ordinaire ou sur un support souple convertit la lumière en électricité avec un rendement légèrement inférieur à celui du silicium. Plusieurs variantes existent : le CIS ( Cuivre Indium Sélénium ), le DSCIG ( DiSéléniure de Cuivre Indium Gallium ), le DSSC ( à base de dioxyde de titane ) ou le TeCd ( Tellure de Cadmium ) et d'autres encore . De nombreux investissements sont en cours ( 2006 et 2007 ) aux États-Unis ( NanoSolar ) et en Allemagne ( où les journalistes n'hésitent pas à parler d'ambiance de ruée vers l'or ).

La production de panneaux CIS à commencé début 2007. Avec cette technique le matériau semi conducteur réactif à la lumière diminue spectaculairement en épaisseur puisqu'il passe de 200 ou 150 microns à 5 microns ( dans la recherche on est descendu à 1,25 micron ) . Quand le procédé industriel de dépôt d'une couche aussi mince aura été amélioré par l'expérience et l'apprentissage, on prévoit que le prix de revient des panneaux solaires photovoltaïques pourra baisser d'un facteur 3 ou 4. D'ores et déjà ( mars 2007 ) le prix de revient du kWc posé est en baisse de 30 à 40 % par rapport à la technique des panneaux au silicium et le prix de revient du kWh est estimé à 15 cts dans la centrale solaire de Brandis ( voir lien pour cette centrale ), alors que le prix au compteur est de 19 cts en Allemagne . Par ailleurs , et pour comparaison , un projet Israelien de centrale solaire d'un autre type , prévoit un prix de revient du kWh de 12,5 cts ^[6] , mais avec un ensoleillement bien meilleur .

Les prix de fabrication de ces panneaux CIS à la sortie usine étant appelés à fortement baisser dans les quelques années qui viennent , il semble bien que cette nouvelle technique soit destinée à bousculer l'ordre établi . En effet les particuliers Allemands bénéficiant par ailleurs de subventions pourront produire avec leurs installations de toiture de l'électricité à un prix inférieur à celui de leur compteur . Les éléments permettant un décollage spectaculaire du solaire photovoltaïque semblent bien réunis en Allemagne .

Au Japon , les subventions seront bientôt supprimées . Avec un prix du kWh au compteur de 22 à 25 cts suivant les cas , le photovoltaïque individuel est déjà compétitif puisque moins cher que le prix au compteur . La vente en grande surface de bricolage , de panneaux solaires à des prix très compétitifs permet également une auto installation fort intéressante .

En France , d'une part les prix des installations solaires sont beaucoup plus élevés qu'en Allemagne et d'autre part le prix du kWh au compteur est nettement plus bas grâce à de nombreuses prises en charge par l'état , à différents niveaux , de la filière nucléaire , les conditions d'un véritable démarrage de la filière solaire sont donc moins favorables .

Une inquiétude cependant : les ressources en matières premières . Ces nouvelles techniques utilisent des métaux rares comme l'indium dont la production mondiale est de 25 tonnes par an et le prix d'avril 2007 de 1000 dollars le Kg ; le tellure dont la production mondiale est de 250 tonnes par an ; le gallium d'une production de 55 tonnes par an ; le germanium d'une production de 90 tonnes l'an . Bien que les quantités de ces matières premières nécessaires à la fabrication des cellules solaires soient infinitésimales , un développement massif mondial des panneaux solaires photovoltaiques en couches minces sans silicium ne manquerait pas de se heurter à cette disponibilité physique limitée .

Pour l'indium , l'institut technologique de Tokyo a mis au point une "colle" ou "ciment" à base d'alumine qui se substitue à l'indium ( mars 2007 ) . Cette alternative est écologique , bon marché et sa production pourrait être beaucoup plus importante que celle de l'indium lui même . La réussite ici consiste à remplacer les atomes d'indium par des molécules qui produisent un résultat équivalent .

La production habituelle d'indium , de germanium et de gallium se fait , entre autres , à partir des fumées de combustion du pétrole et du charbon qui en contiennent . Le retraitement des gaz de combustion des centrales électriques au charbon , nécessaire et d'actualité pour cause de changement climatique et de production de gaz à effet de serre , étant appelé à se développer , l'extraction d'indium , de germanium et de gallium pourrait faire partie du processus de traitement des gaz de combustion du charbon et ainsi se développer bien au delà de ce qu'elle est dans la situation actuelle .

A terme , il faudra concevoir et développer des produits de substitution à toutes ces matières premières trop rares . On a ici un des thèmes de recherche pour pouvoir rendre le solaire photovoltaïque largement répandu et banal .

Ces matières rares lorsqu'elles sont issues du recyclage sont souvent de moindre qualité ce qui affecte leur valeur économique et la rentabilité même du recyclage . Le recyclage de ces matériaux devrait être une préoccupation majeure, et devrait faire l'objet d'une stratégie économique de long terme . Là aussi il s'agit d'un sujet de recherche à développer pour la sécurité de l'avenir . De plus , ce pourrait être un secteur d'activité d'avant garde et créateur d'emplois .

Par contre les dopants du silicium , le phosphore et le bore , sont produits en quantités suffisantes pour alimenter la filière du solaire classique au silicium , laquelle n'est donc pas , dans l'immédiat , menacée dans son existence par les techniques des couches minces sans silicium pour cette raison , contrairement à ce qu'on peut lire ou entendre ici ou là .

Les panneaux à couches minces au silicium

Les panneaux au silicium amorphe ( silicium non cristallisé et à l'état amorphe ) utilisent une technique de couches beaucoup plus minces que pour les panneaux au silicium polycristallin . Mais leur fabrication sous vide et leur bas rendement n'en font pas une alternative intéressante pour l'instant . Les cellules amorphes ont une épaisseur de 0,3 à 0,5 microns et un rendement de 6 % ou un peu plus . Elles absorbent les photons de haute énergie d'une longueur d'onde inférieure à 600 nm des couleurs vertes et bleues .

L'évolution vers la miniaturisation des cristaux des cellules polycristallines a aboutit à des cellules microcristallines qui ont une épaisseur de 1 à 2 microns . Des minicristaux incrustés dans une matrice amorphe forment une cellule microcristalline qui absorbe les rayons lumineux de 600 nm et plus , rouges et infra rouges avec un rendement de 6 à 7 % .

Au Japon , des panneaux solaires produits à partir de couches minces d'un nouveau type va bientôt être commercialisé ( mai 2007 ). Il s'agit d'une combinaison de silicium amorphe ( Si - A ou a - Si ) et de silicium microcristallin ( µc - Si ) . Les cellules constitutives sont qualifiées de cellules tandem . Cette technique dite micromorphe ( contraction des 2 appellations précédentes ) diminuerait fortement la dépendance au silicium tout en permettant de ne pas avoir recours aux matières rares . La mise en tandem de cellules amorphes et microcristallines pour former un ensemble micromorphe permet de capter un spectre de lumière plus large et d'obtenir un rendement supérieur à 10 % . Avec ce type de cellule , le rendement de conversion lors des faibles ensoleillements est amélioré . Les 2 cellules amorphes et microcristallines sont mises optiquement en série par dépôts successifs sur un support . Au Japon , cette nouvelle technique est considérée comme la nouvelle génération de panneaux en couches minces et l'entreprise Mitsubishi a décidé d'installer ce type ce panneaux sur tous les toits de ses centres de production ^[7] . En Suisse l'entreprise Oerlikon considère qu'en 2020 , le marché des panneaux à cellules tandem sera de 30 % de la totalité du marché photovoltaïque ^[8] et elle en débute également la commercialisation dès cette année 2007 .

La combinaison de différents matériaux et de différents dopants ouvre un vaste choix à la recherche pour améliorer cette technique à l'avenir .

Les recherches en cours

Une équipe internationale de chercheurs dirigée par Junko Yano et Vittal Yachandra du Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie est parvenue à détailler la molécule qui permet la photolyse de l'eau lors de la photosynthèse . L’espoir est de pouvoir la synthétiser, ce qui permettrait de maîtriser la production d’hydrogène par le soleil. Dans ce cas, on pourrait envisager des installations solaires en toiture de deux types :

• des panneaux photovoltaïques produisant de l'électricité ;
• des panneaux solaires produisant de l'hydrogène qui pourrait ensuite fournir de l'électricité quand le soleil est absent.

Une telle installation de solaire hybride devrait nous approcher de l'autonomie énergétique individuelle par le solaire si ces recherches aboutissent.

Une autre démarche consiste à transformer les fréquences d'une partie du spectre de la lumière . Les longueurs d'ondes du vert , peu énergétiques , seraient transformés en longueurs d'ondes du bleu plus énergétiques permettant ainsi d'augmenter le rendement final des cellules ^[9] .

Une équipe de chercheurs de l'université de Sydney a synthétisé des molécules de type chlorophylle qui sont capables de transformer la lumière en électricité . Ces molécules constituées d'une centaine de porphyrines imitent les systèmes naturels de photosynthèse . La conversion lumière / électricité est plus efficace avec des molécules d'une taille de la moitié de la longueur d'onde de la lumière absorbée . La porphyrine est constituée de 4 sous unités de pyrrole joints sur les atomes de carbone par 2 ponts d'hydrogène et 2 autres d'azote / hydrogène . La pyrrole est de formule C4 N H5 . Les atomes constitutifs sont donc du carbone , de l'azote , de l'hydrogène ; matières courantes , répandues et très bon marché .

Des recherches Américaines de la Wake Forest University , ont abouti à des cellules : organiques pour sortir du silicium , coaxiales et non planes pour augmenter l'exposition solaire quelque soit l'orientation du soleil , à réflexion à partir du cœur pour faire passer 2 fois la lumière dans la partie active . Ces cellules de laboratoire ont un rendement de 6 % et sont qualifiées de ITO ( Indium Tin Oxide : indium , étain , oxyde )

D'autres recherches sur les cellules en couches minces CIS ( Cuivre Indium Sulfure cette fois ) , tentent un assemblage multicouches pour augmenter les rendements .

Une équipe de chercheurs de la Rice University de Houston USA , a réussit a synthétiser un nouveau type de semi conducteur qui est un candidat prometteur à la fabrication des panneaux solaires . Elle a synthétisé des tétrapodes à base de séléniure de cadmium plus petits que des cellules vivantes grâce aux nanotechnologies. Le rendement de la réaction chimique est de 90% ^[10] . Ce nouveau semi conducteur contenant ces tétrapodes pourrait révolutionner la conception des cellules solaires . Mais il y a loin entre ces découvertes et expériences de laboratoire et une application industrielle concrète .

L'obstacle au développement : le stockage de l'énergie

La production d'électricité solaire est sujette aux aléas de l'ensoleillement et n'est pas régulière . Les périodes de production ne coïncident pas aux périodes de consommation et la nuit la production est nulle mais pas les besoins .

On peut donc stocker l'énergie dans des batteries pour palier à l'inconvénient . Mais c'est un investissement supplémentaire et non négligeable en terme de coût et d'entretien . L'alternative est de revendre l'excès de production au réseau quand il y en a et d'acheter le manque lorsque les besoins sont supérieurs à la production .

Toutefois , les batteries de stockage suivent une évolution technologique continue et les progrès sont importants sans qu'actuellement aucune solution ne soit entièrement satisfaisante .

Alors que les batteries au plomb ont une capacité de 30 Wh par kg , d'autres types se sont développés :

• nickel - cadnium ( Ni - Cd ) 50 Wh par kg
• 1ere filière lithium ( Ni - MH ) 75 Wh par kg
• plomb 2e génération ( 2006 ) 75 Wh par kg ^[11]
• 1ere filière lithium - ion de 1992 ( Li - Ion ) 90 Wh par kg
• lithium polymère ( Li - Po ) 120 Wh par Kg
• lithium - ion 2e génération ( 2000 ) 150 Wh par kg
• zinc - agent ( 2007 ) 200 Wh par kg ^[12]
• manganèse - lithium - ion ( 2007 ) 250 Wh par kg ^[13]
• vanadium redox ou VRB ( 1998 ) : pas de limite théorique de la capacité de stockage , mais avec une limite technique dans la situation actuelle de 100 MWh ( ^[14] et ^[15] ) actuellement elles sont utilisées pour le stockage de grandes capacités dans l'éolien et sont à l'étude pour le photovoltaïque des logements de particuliers par une entreprise Allemande de solaire photovoltaïque .

pour bientôt :

• poudre de céramique - aluminium ( EEstor aux Etats Unis ) ( ^[16] et ^[17] ) : Elles devraient être utilisées dans un premier temps pour les voitures électriques , puis plus tard pour le stockage d'énergie appliqué à l'éolien et au solaire .
• condensateurs - lithium - ion ( FHI ) : en essai au Japon .

Puissances installées photovoltaïque

Différentes puissances cumulées installées fin 2006 :

• monde 6.700 MW
• Europe 3.418 MW
• Allemagne 3.063 MW
• Japon 1.750 MW
• Etats Unis 610 MW
• Espagne 118 MW
• France 32 MW

La prévision mondiale pour 2007 est de 9.000 MW

Notes et références