Aperçu historique et technologique de la conversion photovoltaïque 53

La technologie photovoltaïque consiste en la production d’un courant électrique à partir de ma-tériaux semi-conducteurs placés sous éclairement. S’il a fallu attendre 1905 et Albert Einstein pour théoriser l’effet photoélectrique, la première manifestation de ce type de phénomène fut découverte par le Français Becquerel en 1839, avec l’effet photogalvanique dans les électrolytes liquides. Ce ne fut, en revanche, que bien plus tard, en 1883, que l’Américain Fritts mit au point la première cellule solaire, constituée d’un film de sélénium ; il faudra patienter plus longtemps encore pour voir éclore l’ère moderne de l’énergie photovoltaïque, à partir de 1954, lorsque des chercheurs du laboratoire Bell aux États-Unis découvrent accidentellement qu’une jonction pn produit une tension lorsque qu’elle est éclairée. Initialement utilisées dans l’industrie spatiale comme support énergétique des satellites, pour la première fois avec Vanguard, satellite lancé par la NASA (National Aeronautics and Space Administration) en 1958, les premières cellules photovoltaïques commerciales voient le jour dans les années 1970. En 1972 se déroule ainsi une conférence sur la technologie photovoltaïque incluant pour

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la première fois une session sur les applications terrestres et, comme pour les autres ressources re-nouvelables, le premier choc pétrolier de 1973 achève de lancer complètement la technologie sur le marché (Hegedus et Luque, 2003). Cependant, il faudra encore attendre une trentaine d’années et la ratification du Protocole de Kyoto avant d’assister au véritable essor de l’énergie photovoltaïque.

Sur le plan technique, le cœur d’une cellule photovoltaïque se situe dans la jonction de deux ou plusieurs couches de semi-conducteurs dopés, classiquement appelée jonction pn. Après dopage, la couche n possède un excès d’électrons (chargée négativement) et la couche p, un défaut d’électrons (chargée positivement), la mise en contact de ces deux couches engendrant alors un champ électrique (ou différence de potentiel). Lorsque la couche n de la cellule est exposée à un rayonnement, les élec-trons de valence arrachés par effet photoélectrique sont récoltés, à l’aide d’une fine grille métallique déposée sous forme de « peigne » sur la couche éclairée, puis entraînés dans le circuit extérieur sous l’action de ce champ électrique, générant ainsi un courant. Une cellule individuelle étant particuliè-rement fragile et possédant une tension trop faible, elles sont donc connectées en série et encapsulées au sein de modules ou panneaux, qui seront eux-mêmes, par la suite, connectés en série ou en paral-lèle en fonction des besoins en courant et en tension d’une installation, constituant ainsi un champ photovoltaïque (Labouret et Villoz, 2006).

2.2.4.2 Marché

Sans conteste, le marché du photovoltaïque a réellement commencé à prendre son essor à par-tir des années 2000 et des différentes mesures incitatives issues du Protocole de Kyoto. En effet, de 20 %/an entre 1996 et 2001, la croissance annuelle moyenne de la capacité PV installée dans le monde n’aura ensuite eu de cesse d’augmenter, passant de 32 %/an entre 2001 et 2006 à 58 %/an entre 2006 et 2011. Au final, en 11 ans, la puissance installée dans le monde aura été multipliée par presque 50, passant d’environ 1,5 GW en 2000 à 70 GW en 2011 (REN21, 2012) ; à noter que cette croissance doit avant tout beaucoup à l’Union européenne qui représente aujourd’hui plus de 70 % de la capacité mondiale installée, contre 17,5 % en 2002 (Jäger-Waldau, 2012 ; Observ’ER, 2005). Actuellement, le leader mondial sur le marché des installations photovoltaïques n’est autre que l’Allemagne, qui comptait 25 GW de puissance installée en 2011 soit 36 % de la capacité mondiale ; venaient ensuite respectivement l’Italie (13 GW), le Japon (4,9 GW), l’Espagne (4,5 GW), les États-Unis (4 GW) et la Chine (3,1 GW). La FIGURE 2.3 (a) présente l’évolution de la capacité installée, globale et par zones géographiques, au cours de la dernière décennie. Au niveau de la production des cellules photovol-taïques, si le Japon était un leader incontestable avant 2005, la deuxième moitié de la décade aura vu l’avènement de la Chine et, dans une moindre mesure, de Taïwan qui, à elles deux, produisent aujour-d’hui plus de la moitié des cellules dans le monde. Comme le montre la FIGURE2.3 (b), la production mondiale de cellules photovoltaïques a suivi, au cours de ces dix dernières années, la croissance de la capacité installée, atteignant en 2011 environ 35 GW de cellules/modules produits à travers le globe.

Le matériau le plus utilisé pour la réalisation des cellules photovoltaïques reste, à ce jour, le sili-cium cristallin (c-Si), à plus de 85 %. La principale raison de cette forte domination est à chercher du côté du domaine de la microélectronique, dont l’essor s’est avant tout basé sur le silicium. Ainsi, la technologie photovoltaïque naissante aura pu profiter, non seulement de la connaissance déjà accumu-lée, mais aussi de stocks en silicium et d’équipements de production déjà existants à des coûts com-pétitifs (Tobías et al., 2003). Le reste du marché est notamment complété par les semi-conducteurs en couche mince, principalement le silicium amorphe (a-Si), le tellurure de cadmium (CdTe) et le disé-léniure de cuivre-indium-gallium (Cu(InGa)Se₂), ainsi que par les cellules à jonction multiple com-posées d’alliages tels que l’arséniure de gallium (GaAs) ou le phosphure de gallium-indium (GaInP),

2.2 L’énergie photovoltaïque 0 10 20 30 40 50 60 70 2000 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

Installations photovoltaïques cumulées (GWc)

Reste de l’Europe Italie Espagne Allemagne Reste du monde Chine USA Japon 0 5 10 15 20 25 30 35 2000 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 Production annuelle (GW) Reste du monde USA Malaisie Japon Europe Taiwan Chine

(a) (b)

FIGURE 2.3 – Évolution de la capacité photovoltaïque installée (a) et de la production annuelle de cellules/modules (b) dans le monde entre 2000 et 2011 (Jäger-Waldau, 2012).

notamment utilisées dans les technologies photovoltaïques à concentration (Hegedus et Luque, 2003). Seule une partie du spectre du rayonnement solaire est convertie en électricité, et ce, avec un cer-tain rendement. Typiquement, une cellule photovoltaïque au silicium possède une réponse spectrale comprise entre 0,4 et 1,1 µm, correspondant au rayonnement visible et à une partie de l’infrarouge proche. Les rendements de conversion varient fortement selon les matériaux employés ; ainsi, les ren-dements industriels des cellules au silicium cristallin se situent aujourd’hui entre 12 et 20 % (14-20 % pour le silicium monocristallin et 12-17 % pour le silicium polycristallin), pendant que les rende-ments en laboratoire atteignent les 25 % (Jäger-Waldau, 2012 ; Muller, 2007). Les couches minces possèdent, en revanche, des rendements commerciaux beaucoup plus faibles, aux alentours des 10 %, mais présentent certains avantages tels que la réduction des coûts économique et énergétique ou la possibilité de concevoir des cellules flexibles. Par ailleurs, les cellules à jonction multiple, dites aussi multispectrales ou « arc-en-ciel », permettent d’améliorer les rendements de manière significative ; en atteste le rendement expérimental de 36,9 % qui a pu être observé avec une jonction triple du type GaInP/GaAs sur un substrat de germanium (Ge) (Muller, 2007). Associées à une technologie de concentration optique, ces cellules, qui sont capables de supporter un ratio de concentration supérieur à celles au silicium cristallin, peuvent dès lors être utilisées pour des applications énergétiques rela-tivement importantes, tout en assurant un coût économique compétitif des installations (Olson et al., 2003).

On constate donc que si la filière photovoltaïque était encore quelque peu confidentielle au début des années 2000, ce n’est plus le cas aujourd’hui avec une technologie qui semble avoir fait son trou au sein du secteur renouvelable, se diversifiant d’année en année et bénéficiant d’une recherche et d’un développement de pointe. Sur le plan de son utilisation, on comprend par système photovoltaïque une installation au sein de laquelle le champ PV considéré servira de générateur électrique et sera combiné à d’autres appareillages électroniques, afin de produire une électricité qui sera soit consommée soit injectée sur un réseau. À l’heure actuelle, on distingue deux principaux types de systèmes sur le marché :

– les systèmes raccordés au réseau ;

Chapitre 2 : Planifier l’électrification photovoltaïque décentralisée en République de Djibouti Champ photovoltaïque

DC

AC

RÉSEAU

FIGURE 2.4 – Système photovoltaïque connecté au réseau.