Le terme photovoltaïque fait référence à une technologie dans quelle énergie renouvelable ?
énergie solaire
D'un autre côté, les systèmes photovoltaïques connectés au réseau présentent l'inconvénient majeur que la production d'énergie dépend de la lumière directe du soleil. Ainsi, par définition, les systèmes d'énergie solaire ne produisent de l'électricité que pendant une demi-journée et moins si le suivi n'est pas utilisé. La production d’énergie est également affectée par les conditions météorologiques, notamment la couverture nuageuse. Cela signifie que, dans le réseau national par exemple, cette énergie doit être compensée par d'autres sources d'énergie : hydrocarbures, nucléaire, hydroélectrique ou éolienne. Pour certains, les installations solaires ont également un impact esthétique négatif sur une zone. Les progrès technologiques et l'augmentation de l'échelle de fabrication ont réduit le coût, augmenté la fiabilité et augmenté l'efficacité des installations photovoltaïques et le coût actualisé de l'électricité photovoltaïque est compétitif, sur la base du kilowatt/heure, par rapport aux sources d'électricité conventionnelles dans une liste croissante de régions géographiques. L’énergie solaire photovoltaïque coûte régulièrement entre 0,05 et 0,10 USD par kilowattheure (kWh) en Europe, en Chine, en Inde, en Afrique du Sud et aux États-Unis. En 2015, des prix record ont été atteints aux Émirats arabes unis (5,84 cents/kWh), au Pérou (4,8 cents/kWh) et au Mexique (4,8 cents/kWh). En mai 2016, une vente aux enchères de panneaux solaires photovoltaïques à Dubaï a attiré une offre de 3 cents/kWh. La facturation nette et les incitations financières, telles que les tarifs de rachat préférentiels pour l'électricité produite à l'aide de l'énergie solaire, ont soutenu les installations solaires photovoltaïques dans de nombreux pays. Plus de 100 pays utilisent désormais l’énergie solaire photovoltaïque. Après l’hydroélectricité et l’éolien, le photovoltaïque est la troisième source d’énergie renouvelable en termes de capacité mondiale. En 2014, la capacité photovoltaïque installée dans le monde a augmenté pour atteindre 177 gigawatts (GW), soit 2 % de la demande mondiale d’électricité. La Chine, suivie du Japon et des États-Unis, est le marché qui connaît la croissance la plus rapide, tandis que l'Allemagne reste le plus grand producteur mondial (à la fois par habitant et en termes absolus), l'énergie solaire photovoltaïque fournissant sept pour cent de la consommation intérieure annuelle d'électricité. La production d’énergie solaire photovoltaïque a longtemps été considérée comme une technologie d’énergie propre qui s’appuie sur la source d’énergie renouvelable la plus abondante et la plus largement distribuée de la planète : le soleil. La technologie est « intrinsèquement élégante » dans le sens où la conversion directe de la lumière du soleil en électricité se produit sans aucune pièce mobile ni émission environnementale pendant le fonctionnement. Cela a fait ses preuves puisque les systèmes photovoltaïques sont utilisés depuis cinquante ans dans des applications spécialisées et que les systèmes connectés au réseau sont utilisés depuis plus de vingt ans. L’énergie solaire photovoltaïque connaît une croissance rapide et la capacité installée mondiale a atteint au moins 177 gigawatts (GW) à la fin de 2014. La puissance totale de production de la capacité photovoltaïque mondiale au cours d’une année civile dépasse désormais les 200 TWh d’électricité. Cela représente 1% de la demande mondiale d’électricité. Plus de 100 pays utilisent l’énergie solaire photovoltaïque. La Chine, suivie du Japon et des États-Unis, est désormais le marché qui connaît la croissance la plus rapide, tandis que l'Allemagne reste le plus grand producteur mondial, contribuant à plus de 7 % à sa demande nationale d'électricité. Le photovoltaïque est désormais, après l’hydroélectricité et l’éolien, la troisième source d’énergie renouvelable en termes de capacité installée mondiale. Michael Liebreich, de Bloomberg New Energy Finance, anticipe un tournant pour l'énergie solaire. Les coûts de l’énergie éolienne et solaire sont déjà inférieurs à ceux de la production d’électricité conventionnelle dans certaines régions du monde, car ils ont fortement baissé et continueront de baisser. Il affirme également que le réseau électrique a été considérablement étendu dans le monde entier et qu'il est prêt à recevoir et à distribuer de l'électricité provenant de sources renouvelables. En outre, les prix mondiaux de l’électricité ont été soumis à une forte pression des sources d’énergie renouvelables, qui sont en partie adoptées avec enthousiasme par les consommateurs. Le rendement des cellules solaires varie de 6 % pour les cellules solaires à base de silicium amorphe à 44,0 % pour les cellules photovoltaïques concentrées à jonctions multiples. Les rendements de conversion d'énergie des cellules solaires pour les systèmes photovoltaïques disponibles dans le commerce sont d'environ 14 à 22 %. Le photovoltaïque concentré (CPV) peut réduire les coûts en concentrant jusqu'à 1 000 soleils (à travers une loupe) sur une cellule photovoltaïque de plus petite taille. Cependant, une telle concentration d’énergie solaire nécessite des conceptions sophistiquées de dissipateurs thermiques, sinon la cellule photovoltaïque surchauffe, ce qui réduit son efficacité et sa durée de vie. Pour exacerber encore davantage la conception du refroidissement concentré, le dissipateur thermique doit être passif, sinon la puissance requise pour le refroidissement actif réduirait l'efficacité et l'économie globales. En 2011, le prix des modules photovoltaïques a chuté de 60 % depuis l'été 2008, selon les estimations de Bloomberg New Energy Finance, mettant pour la première fois l'énergie solaire sur un pied de concurrence avec le prix de détail de l'électricité dans un certain nombre de pays ensoleillés. des pays; un chiffre alternatif et cohérent de baisse des prix de 75 % entre 2007 et 2012 a également été publié, bien qu'il ne soit pas clair si ces chiffres sont spécifiques aux États-Unis ou à l'échelle mondiale. Le coût actualisé de l'électricité photovoltaïque (LCOE) est compétitif par rapport aux sources d'électricité conventionnelles dans une liste croissante de régions géographiques, en particulier lorsque la période de production est incluse, car l'électricité vaut plus pendant la journée que la nuit. La concurrence est féroce au sein de la chaîne d’approvisionnement et de nouvelles améliorations du coût actualisé de l’énergie solaire sont à venir, ce qui constituera une menace croissante pour la domination des sources de production d’énergie fossile au cours des prochaines années. Au fil du temps, les technologies liées aux énergies renouvelables deviennent généralement moins chères, tandis que les combustibles fossiles deviennent généralement plus chers : L'énergie photovoltaïque est également produite à une heure de la journée proche de la demande de pointe (la précédant) dans les systèmes électriques à forte utilisation de la climatisation. Plus généralement, il est désormais évident que, compte tenu d’un prix du carbone de 50 dollars/tonne, ce qui augmenterait le prix de l’électricité produite au charbon de 5c/kWh, l’énergie solaire photovoltaïque sera compétitive dans la plupart des endroits. La baisse du prix du photovoltaïque s'est reflétée dans la croissance rapide des installations, totalisant environ 23 GW en 2011. Même si une certaine consolidation est probable en 2012, en raison de la réduction des soutiens sur les grands marchés d'Allemagne et d'Italie, une forte croissance semble se poursuivre pour le reste. de la décennie. Déjà, selon une estimation, l’investissement total dans les énergies renouvelables pour 2011 a dépassé l’investissement dans la production d’électricité à base de carbone. Dans le cas de l'autoconsommation, le temps de récupération est calculé en fonction de la quantité d'électricité qui n'est pas prélevée sur le réseau. De plus, l’utilisation de l’énergie solaire photovoltaïque pour charger les batteries à courant continu, telle qu’elle est utilisée dans les véhicules électriques hybrides rechargeables et les véhicules électriques, conduit à une plus grande efficacité. Traditionnellement, l'électricité produite en courant continu à partir de l'énergie solaire photovoltaïque doit être convertie en courant alternatif pour les bâtiments, avec une perte moyenne de 10 % lors de la conversion. Une perte d'efficacité supplémentaire se produit lors du retour au courant continu pour les appareils et les véhicules alimentés par batterie, et en utilisant divers taux d'intérêt et changements de prix de l'énergie, nous avons calculé pour trouver des valeurs actuelles allant de 2 057,13 $ à 8 213,64 $ (analyse de 2009). Le processus de fabrication de création d'énergie solaire photovoltaïque est simple dans la mesure où il
Le photovoltaïque (PV) couvre la conversion de la lumière en électricité à l'aide de matériaux semi-conducteurs présentant l'effet photovoltaïque, un phénomène étudié en physique, photochimie et électrochimie.
Un système photovoltaïque typique utilise des panneaux solaires, chacun comprenant un certain nombre de cellules solaires, qui génèrent de l'énergie électrique. La première étape est l’effet photoélectrique suivi d’un processus électrochimique où des atomes cristallisés, ionisés en série, génèrent un courant électrique. Les installations photovoltaïques peuvent être montées au sol, sur le toit ou au mur.
Le solaire photovoltaïque ne génère aucune pollution. La conversion directe de la lumière solaire en électricité se produit sans aucune pièce mobile. Les systèmes photovoltaïques sont utilisés depuis cinquante ans dans des applications spécialisées, les systèmes photovoltaïques autonomes et connectés au réseau sont utilisés depuis plus de vingt ans. Ils ont été produits en série pour la première fois en 2000, lorsque les écologistes allemands et l'organisation Eurosolar ont obtenu un financement gouvernemental pour un programme de dix mille toits.
D'un autre côté, les systèmes photovoltaïques connectés au réseau présentent l'inconvénient majeur que la production d'énergie dépend de la lumière directe du soleil. Ainsi, par définition, les systèmes d'énergie solaire ne produisent de l'électricité que pendant une demi-journée et moins si le suivi n'est pas utilisé. La production d’énergie est également affectée par les conditions météorologiques, notamment la couverture nuageuse. Cela signifie que, dans le réseau national par exemple, cette énergie doit être compensée par d'autres sources d'énergie : hydrocarbures, nucléaire, hydroélectrique ou éolienne. Pour certains, les installations solaires ont également un impact esthétique négatif sur une zone.
Les progrès technologiques et l'augmentation de l'échelle de fabrication ont réduit le coût, augmenté la fiabilité et augmenté l'efficacité des installations photovoltaïques et le coût actualisé de l'électricité photovoltaïque est compétitif, sur la base du kilowatt/heure, par rapport aux sources d'électricité conventionnelles dans une liste croissante de régions géographiques. L’énergie solaire photovoltaïque coûte régulièrement entre 0,05 et 0,10 USD par kilowattheure (kWh) en Europe, en Chine, en Inde, en Afrique du Sud et aux États-Unis. En 2015, des prix record ont été atteints aux Émirats arabes unis (5,84 cents/kWh), au Pérou (4,8 cents/kWh) et au Mexique (4,8 cents/kWh). En mai 2016, une vente aux enchères de panneaux solaires photovoltaïques à Dubaï a attiré une offre de 3 cents/kWh.
La facturation nette et les incitations financières, telles que les tarifs de rachat préférentiels pour l'électricité produite à l'aide de l'énergie solaire, ont soutenu les installations solaires photovoltaïques dans de nombreux pays. Plus de 100 pays utilisent désormais l’énergie solaire photovoltaïque. Après l’hydroélectricité et l’éolien, le photovoltaïque est la troisième source d’énergie renouvelable en termes de capacité mondiale. En 2014, la capacité photovoltaïque installée dans le monde a augmenté pour atteindre 177 gigawatts (GW), soit 2 % de la demande mondiale d’électricité. La Chine, suivie du Japon et des États-Unis, est le marché qui connaît la croissance la plus rapide, tandis que l'Allemagne reste le plus grand producteur mondial (à la fois par habitant et en termes absolus), l'énergie solaire photovoltaïque fournissant sept pour cent de la consommation intérieure annuelle d'électricité.
Avec la technologie actuelle, le photovoltaïque récupère l’énergie nécessaire à sa fabrication en 1,5 an en Europe du Sud et en 2,5 ans en Europe du Nord.
Étymologie
Le terme « photovoltaïque » vient du grec φῶς (phōs) signifiant « lumière », et de « volt », l'unité de force électromotrice, le volt, qui vient à son tour du nom de famille du physicien italien Alessandro Volta, inventeur de la batterie (pile électrochimique). Le terme « photovoltaïque » est utilisé en anglais depuis 1849.
Cellules solaires
L’énergie photovoltaïque est surtout connue comme méthode de production d’énergie électrique utilisant des cellules solaires pour convertir l’énergie du soleil en un flux d’électrons. L’effet photovoltaïque fait référence aux photons de lumière excitant les électrons dans un état d’énergie supérieur, leur permettant d’agir comme porteurs de charge pour un courant électrique. L'effet photovoltaïque a été observé pour la première fois par Alexandre-Edmond Becquerel en 1839. Le terme photovoltaïque désigne le mode de fonctionnement impartial d'une photodiode dans lequel le courant traversant l'appareil est entièrement dû à l'énergie lumineuse transduite. Pratiquement tous les appareils photovoltaïques sont constitués d'un type de photodiode.
Les cellules solaires produisent de l’électricité en courant continu à partir de la lumière du soleil qui peut être utilisée pour alimenter des équipements ou pour recharger une batterie. La première application pratique du photovoltaïque consistait à alimenter des satellites en orbite et d’autres engins spatiaux, mais aujourd’hui, la majorité des modules photovoltaïques sont utilisés pour la production d’électricité connectée au réseau. Dans ce cas, un onduleur est nécessaire pour convertir le courant continu en courant alternatif. Il existe un marché plus restreint pour l’énergie hors réseau destinée aux habitations isolées, aux bateaux, aux véhicules récréatifs, aux voitures électriques, aux téléphones d’urgence en bordure de route, à la télédétection et à la protection cathodique des pipelines.
La production d'énergie photovoltaïque utilise des panneaux solaires composés d'un certain nombre de cellules solaires contenant un matériau photovoltaïque. Les matériaux actuellement utilisés pour le photovoltaïque comprennent le silicium monocristallin, le silicium polycristallin, le silicium amorphe, le tellurure de cadmium et le séléniure/sulfure de cuivre, d'indium et de gallium. Les câbles solaires en cuivre connectent les modules (câble de module), les réseaux (câble de réseau) et les sous-champs. En raison de la demande croissante de sources d’énergie renouvelables, la fabrication de cellules solaires et de panneaux photovoltaïques a considérablement progressé ces dernières années.
La production d’énergie solaire photovoltaïque a longtemps été considérée comme une technologie d’énergie propre qui s’appuie sur la source d’énergie renouvelable la plus abondante et la plus largement distribuée de la planète : le soleil. La technologie est « intrinsèquement élégante » dans le sens où la conversion directe de la lumière du soleil en électricité se produit sans aucune pièce mobile ni émission environnementale pendant le fonctionnement. Cela a fait ses preuves puisque les systèmes photovoltaïques sont utilisés depuis cinquante ans dans des applications spécialisées et que les systèmes connectés au réseau sont utilisés depuis plus de vingt ans.
Les cellules nécessitent une protection contre l’environnement et sont généralement emballées hermétiquement derrière une feuille de verre. Lorsqu’une puissance supérieure à celle qu’une seule cellule peut fournir est requise, les cellules sont connectées électriquement entre elles pour former des modules photovoltaïques ou des panneaux solaires. Un seul module suffit pour alimenter un téléphone d'urgence, mais pour une maison ou une centrale électrique, les modules doivent être disposés en multiples sous forme de réseaux.
La capacité de puissance photovoltaïque est mesurée comme la puissance de sortie maximale dans des conditions de test standardisées (STC) en « Wp » (watts crête). La puissance de sortie réelle à un moment donné peut être inférieure ou supérieure à cette valeur standardisée, ou « nominale », en fonction de l'emplacement géographique, de l'heure de la journée, des conditions météorologiques et d'autres facteurs. Les facteurs de capacité des panneaux solaires photovoltaïques sont généralement inférieurs à 25 %, ce qui est inférieur à celui de nombreuses autres sources industrielles d’électricité.
Développements actuels
Pour de meilleures performances, les systèmes photovoltaïques terrestres visent à maximiser la durée pendant laquelle ils sont exposés au soleil. Les trackers solaires y parviennent en déplaçant les panneaux photovoltaïques pour suivre le soleil. L'augmentation peut aller jusqu'à 20 % en hiver et jusqu'à 50 % en été. Les systèmes montés statiques peuvent être optimisés par l’analyse de la trajectoire du soleil. Les panneaux sont souvent réglés sur une inclinaison de latitude, un angle égal à la latitude, mais les performances peuvent être améliorées en ajustant l'angle pour l'été ou l'hiver. Généralement, comme pour les autres dispositifs semi-conducteurs, les températures supérieures à la température ambiante réduisent les performances du photovoltaïque.
Un certain nombre de panneaux solaires peuvent également être montés verticalement les uns au-dessus des autres dans une tour, si la distance zénithale du Soleil est supérieure à zéro, et la tour peut être tournée horizontalement dans son ensemble et chaque panneau en plus autour d'un axe horizontal. Dans une telle tour, les panneaux peuvent suivre exactement le Soleil. Un tel dispositif peut être décrit comme une échelle montée sur un disque tournant. Chaque marche de cette échelle constitue l’axe médian d’un panneau solaire rectangulaire. Dans le cas où la distance zénithale du Soleil atteint zéro, « l'échelle » peut être tournée vers le nord ou le sud pour éviter qu'un panneau solaire ne produise une ombre sur un panneau solaire inférieur. Au lieu d'une tour exactement verticale, on peut choisir une tour dont l'axe est dirigé vers l'étoile polaire, c'est-à-dire qu'elle est parallèle à l'axe de rotation de la Terre. Dans ce cas, l'angle entre l'axe et le Soleil est toujours supérieur à 66 degrés. Durant une journée il suffit de tourner les panneaux autour de cet axe pour suivre le Soleil. Les installations peuvent être montées au sol (et parfois intégrées à l'agriculture et au pâturage) ou intégrées au toit ou aux murs d'un bâtiment (photovoltaïque intégré au bâtiment).
Un autre développement récent concerne la composition des cellules solaires. La pérovskite est un matériau très peu coûteux qui est utilisé pour remplacer le silicium cristallin coûteux qui fait encore partie aujourd’hui d’une cellule photovoltaïque standard. Michael Graetzel, directeur du Laboratoire de photonique et d'interfaces à l'EPFL, déclare : "Aujourd'hui, l'efficacité a atteint un sommet de 18 pour cent, mais on s'attend à ce qu'elle augmente encore à l'avenir." Il s’agit d’une affirmation importante, car un rendement de 20 % est typique des panneaux solaires qui utilisent des matériaux plus coûteux.
Efficacité
L’efficacité électrique (également appelée efficacité de conversion) est un facteur déterminant dans le choix d’un système photovoltaïque. Cependant, les panneaux solaires les plus efficaces sont généralement les plus chers et peuvent ne pas être disponibles dans le commerce. Par conséquent, la sélection dépend également de la rentabilité et d’autres facteurs.
L'efficacité électrique d'une cellule photovoltaïque est une propriété physique qui représente la quantité d'énergie électrique qu'une cellule peut produire pour un ensoleillement donné. L'expression de base de l'efficacité maximale d'une cellule photovoltaïque est donnée par le rapport entre la puissance de sortie et la puissance solaire incidente (flux de rayonnement multiplié par la surface).
\eta = \frac{P_{max}}{E \cdot A_{cell}}.
L'efficacité est mesurée dans des conditions de laboratoire idéales et représente l'efficacité maximale réalisable du matériau photovoltaïque. L'efficacité réelle est influencée par la tension de sortie, le courant, la température de jonction, l'intensité lumineuse et le spectre.
Le type de cellule solaire le plus efficace à ce jour est une cellule solaire à concentrateur multi-jonction avec un rendement de 46,0 % produit par Fraunhofer ISE en décembre 2014. Les rendements les plus élevés obtenus sans concentration incluent un matériau de Sharp Corporation à 35,8 % utilisant un triple -technologie de fabrication par jonction en 2009, et Boeing Spectrolab (40,7 % utilisant également une conception à triple couche). L'entreprise américaine SunPower produit des cellules dont le rendement est de 21,5 %, bien au-dessus de la moyenne du marché, qui est de 12 à 18 %.
Des efforts sont en cours pour augmenter l’efficacité de conversion des cellules et modules photovoltaïques, principalement pour obtenir un avantage concurrentiel. Afin d’augmenter l’efficacité des cellules solaires, il est important de choisir un matériau semi-conducteur avec une bande interdite appropriée qui correspond au spectre solaire. Cela améliorera les propriétés électriques et optiques. L’amélioration de la méthode de collecte des charges est également utile pour augmenter l’efficacité. Plusieurs groupes de matériaux sont en cours de développement. Les dispositifs à très haut rendement (η> 30 %) sont fabriqués en utilisant des semi-conducteurs GaAs et GaInP2 avec des cellules tandem multijonctions. Des matériaux en silicium monocristallin de haute qualité sont utilisés pour obtenir des cellules à haut rendement et à faible coût (η>20 %).
Les développements récents dans le domaine des cellules photovoltaïques organiques (OPV) ont permis des progrès significatifs en termes d'efficacité de conversion d'énergie, passant de 3 % à plus de 15 % depuis leur introduction dans les années 1980. À ce jour, l’efficacité de conversion de puissance la plus élevée signalée varie de 6,7 % à 8,94 % pour les petites molécules, de 8,4 % à 10,6 % pour les OPV polymères et de 7 % à 21 % pour les OPV pérovskites. Les OPV devraient jouer un rôle majeur sur le marché photovoltaïque. Des améliorations récentes ont augmenté l'efficacité et réduit les coûts, tout en restant respectueux de l'environnement et renouvelable.
Plusieurs entreprises ont commencé à intégrer des optimiseurs de puissance dans des modules photovoltaïques appelés modules intelligents. Ces modules effectuent un suivi du point de puissance maximale (MPPT) pour chaque module individuellement, mesurent les données de performances à des fins de surveillance et fournissent des fonctionnalités de sécurité supplémentaires. De tels modules peuvent également compenser les effets d'ombrage, dans lesquels une ombre tombant sur une section d'un module entraîne une diminution de la puissance électrique d'une ou plusieurs chaînes de cellules dans le module.
L’une des principales causes de la diminution des performances des cellules est la surchauffe. L’efficacité d’une cellule solaire diminue d’environ 0,5 % pour chaque augmentation de température de 1 degré Celsius. Cela signifie qu’une augmentation de 100 degrés de la température de surface pourrait diminuer l’efficacité d’une cellule solaire d’environ la moitié. Les cellules solaires auto-refroidissantes constituent une solution à ce problème. Plutôt que d’utiliser de l’énergie pour refroidir la surface, des formes pyramidales et coniques peuvent être formées à partir de silice et fixées à la surface d’un panneau solaire. Cela permet à la lumière visible d'atteindre les cellules solaires, mais reflète les rayons infrarouges (qui transportent la chaleur).
Croissance
L’énergie solaire photovoltaïque connaît une croissance rapide et la capacité installée mondiale a atteint au moins 177 gigawatts (GW) à la fin de 2014. La puissance totale de production de la capacité photovoltaïque mondiale au cours d’une année civile dépasse désormais les 200 TWh d’électricité. Cela représente 1% de la demande mondiale d’électricité. Plus de 100 pays utilisent l’énergie solaire photovoltaïque. La Chine, suivie du Japon et des États-Unis, est désormais le marché qui connaît la croissance la plus rapide, tandis que l'Allemagne reste le plus grand producteur mondial, contribuant à plus de 7 % à sa demande nationale d'électricité. Le photovoltaïque est désormais, après l’hydroélectricité et l’éolien, la troisième source d’énergie renouvelable en termes de capacité installée mondiale.
Plusieurs sociétés d'études de marché et de sociétés financières prévoient une installation mondiale record de plus de 50 GW en 2015. La Chine devrait prendre l'avantage sur l'Allemagne et devenir le plus grand producteur mondial d'énergie photovoltaïque en installant 17,8 GW ​​supplémentaires en 2015. L'Inde est devrait installer 1,8 GW, doublant ainsi ses installations annuelles. D’ici 2018, la capacité photovoltaïque mondiale devrait doubler, voire tripler, pour atteindre 430 GW. Solar Power Europe (anciennement EPIA) estime également que le photovoltaïque couvrira 10 à 15 % de la demande énergétique européenne en 2030.
Le scénario de changement de paradigme de la production solaire de l'EPIA/Greenpeace (anciennement appelé scénario avancé) de 2010 montre que d'ici 2030, 1 845 GW de systèmes photovoltaïques pourraient produire environ 2 646 TWh/an d'électricité dans le monde. Combiné à des améliorations de l'efficacité énergétique, cela représenterait les besoins en électricité de plus de 9 % de la population mondiale. D'ici 2050, plus de 20 % de toute l'électricité pourrait être fournie par le photovoltaïque. Epia.org (22 septembre 2012). Récupéré le 31 mai 2013.
Michael Liebreich, de Bloomberg New Energy Finance, anticipe un tournant pour l'énergie solaire. Les coûts de l’énergie éolienne et solaire sont déjà inférieurs à ceux de la production d’électricité conventionnelle dans certaines régions du monde, car ils ont fortement baissé et continueront de baisser. Il affirme également que le réseau électrique a été considérablement étendu dans le monde entier et qu'il est prêt à recevoir et à distribuer de l'électricité provenant de sources renouvelables. En outre, les prix mondiaux de l’électricité ont été soumis à une forte pression des sources d’énergie renouvelables, qui sont en partie adoptées avec enthousiasme par les consommateurs.
Deutsche Bank prévoit une "deuxième ruée vers l'or" pour l'industrie photovoltaïque. La parité réseau avait déjà été atteinte sur au moins 19 marchés en janvier 2014. Le photovoltaïque prévaudra au-delà des tarifs de rachat, devenant plus compétitif à mesure que le déploiement augmente et que les prix continuent de baisser.
En juin 2014, Barclays a dégradé la note des obligations des sociétés de services publics américaines. Barclays s'attend à une concurrence accrue due à une autoconsommation croissante due à une combinaison de systèmes photovoltaïques décentralisés et de stockage d'électricité résidentiel. Cela pourrait changer fondamentalement le modèle économique du service public et transformer le système au cours des dix prochaines années, car les prix de ces systèmes devraient baisser.
Impacts environnementaux des technologies photovoltaïques
Types d'impacts
Bien que les cellules solaires photovoltaïques (PV) soient prometteuses pour la production d'énergie propre, leur déploiement est entravé par les coûts de production, la disponibilité des matériaux et la toxicité. L'analyse du cycle de vie (ACV) est une méthode permettant de déterminer les impacts environnementaux du photovoltaïque. De nombreuses études ont été réalisées sur les différents types de photovoltaïques, notamment la première génération, la deuxième génération et la troisième génération. Habituellement, ces études d'ACV photovoltaïques sélectionnent les limites du système du berceau à la porte, car souvent, au moment où les études sont menées, il s'agit d'une nouvelle technologie qui n'est pas encore disponible dans le commerce et l'équilibre requis entre les composants du système et les méthodes d'élimination est inconnu.
Une ACV traditionnelle peut examiner de nombreuses catégories d’impact différentes, allant du potentiel de réchauffement climatique à l’écotoxicité, à la toxicité humaine, à l’épuisement des eaux et bien d’autres. La plupart des ACV du photovoltaïque se sont concentrées sur deux catégories : les équivalents de dioxyde de carbone par kWh et le temps de retour sur investissement énergétique (EPBT). L'EPBT est défini comme « le temps nécessaire pour compenser la totalité de l'énergie primaire renouvelable et non renouvelable requise pendant le cycle de vie d'un système photovoltaïque ». Un examen de 2015 de l'EPBT des PV de première et deuxième génération a suggéré qu'il y avait une plus grande variation dans l'énergie intégrée que dans l'efficacité des cellules, ce qui implique que c'est principalement l'énergie intégrée qui doit être réduite pour obtenir une plus grande réduction de l'EPBT. Une difficulté pour déterminer les impacts dus au PV est de déterminer si les déchets sont rejetés dans l’air, l’eau ou le sol pendant la phase de fabrication. Des recherches sont en cours pour tenter de comprendre les émissions et les rejets au cours de la durée de vie des systèmes photovoltaïques.
Impacts du PV de première génération
Les modules en silicium cristallin sont le type PV le plus étudié en termes d'ACV car ils sont les plus couramment utilisés. Les systèmes photovoltaïques en silicium monocristallin (mono-si) ont un rendement moyen de 14,0 %. Les cellules ont tendance à suivre une structure composée d'une électrode avant, d'un film antireflet, d'une couche N, d'une couche P et d'une électrode arrière, le soleil frappant l'électrode avant. L'EPBT varie de 1,7 à 2,7 ans. Du début à la fin, les émissions de CO2-eq/kWh varient de 37,3 à 72,2 grammes.
Les techniques de production de cellules photovoltaïques en silicium multicristallin (multi-si) sont plus simples et moins coûteuses que celles mono-si, mais ont tendance à produire des cellules moins efficaces, en moyenne de 13,2 %. L'EPBT varie de 1,5 à 2,6 ans. Du début à la fin, les émissions de CO2-eq/kWh varient de 28,5 à 69 grammes. Certaines études ont porté au-delà de l’EPBT et du GWP sur d’autres impacts environnementaux. Dans l’une de ces études, le mix énergétique conventionnel en Grèce a été comparé au photovoltaïque multi-si et a révélé une réduction globale de 95 % des impacts, notamment les substances cancérigènes, l’écotoxicité, l’acidification, l’eutrophisation et onze autres.
Impacts de la deuxième génération
Le tellurure de cadmium (CdTe) est l'une des cellules solaires à couche mince à la croissance la plus rapide, collectivement connues sous le nom de dispositifs de deuxième génération. Ce nouveau dispositif à couche mince partage également des restrictions de performances similaires (limite d'efficacité Shockley-Queisser) à celles des dispositifs Si conventionnels, mais promet de réduire le coût de chaque dispositif en réduisant à la fois la consommation de matériaux et d'énergie pendant la fabrication. Aujourd’hui, la part de marché mondiale du CdTe est de 5,4 %, contre 4,7 % en 2008. Le rendement de conversion d’énergie le plus élevé de cette technologie est de 21 %. La structure cellulaire comprend un substrat de verre (environ 2 mm), une couche conductrice transparente, une couche tampon CdS (50 - 150 nm), un absorbeur CdTe et une couche de contact métallique.
Les systèmes photovoltaïques au CdTe nécessitent moins d’énergie dans leur production que les autres systèmes photovoltaïques commerciaux par unité de production d’électricité. La moyenne en équivalent CO2/kWh est d’environ 18 grammes (du berceau à la porte). Le CdTe possède l'EPBT le plus rapide de toutes les technologies photovoltaïques commerciales, qui varie entre 0,3 et 1,2 an.
Le diséléniure de cuivre et d'indium et de gallium (CIGS) est une cellule solaire à couche mince basée sur la famille de semi-conducteurs à base de chalcopyrite au diséléniure de cuivre et d'indium (CIS). CIS et CIGS sont souvent utilisés de manière interchangeable au sein de la communauté CIS/CIGS. La structure cellulaire comprend du verre sodocalcique comme substrat, une couche de Mo comme contact arrière, du CIS/CIGS comme couche absorbante, du sulfure de cadmium (CdS) ou du Zn (S,OH)x comme couche tampon et du ZnO:Al comme couche tampon. contact frontal. Le CIGS représente environ 1/100ème de l'épaisseur des technologies conventionnelles de cellules solaires au silicium. Les matériaux nécessaires à l'assemblage sont facilement disponibles et coûtent moins cher par watt de cellule solaire. Les dispositifs solaires basés sur CIGS résistent à la dégradation des performances au fil du temps et sont très stables sur le terrain.
Les impacts potentiels du CIGS sur le réchauffement climatique signalés varient de 20,5 à 58,8 grammes d'équivalent CO2/kWh d'électricité produite pour différentes irradiations solaires (1 700 à 2 200 kWh/m2/an) et efficacité de conversion d'énergie (7,8 à 9,12 %). L'EPBT varie de 0,2 à 1,4 ans, tandis que la valeur harmonisée de l'EPBT a été trouvée à 1,393 ans. La toxicité est un problème au sein de la couche tampon des modules CIGS car elle contient du cadmium et du gallium. Les modules CIS ne contiennent aucun métal lourd.
Impacts de la troisième génération
Les photovoltaïques de troisième génération sont conçus pour combiner les avantages des dispositifs de première et de deuxième génération et n'ont pas de limite d'efficacité de Shockley-Queisser, une limite théorique pour les cellules photovoltaïques de première et de deuxième génération. L'épaisseur d'un appareil de troisième génération est inférieure à 1 µm.
Une technologie alternative émergente et prometteuse repose sur une cellule solaire hybride organique-inorganique composée de pérovskites aux halogénures de plomb et de méthylammonium. Les cellules photovoltaïques à pérovskite ont progressé rapidement au cours des dernières années et sont devenues l'un des domaines les plus attractifs pour la recherche photovoltaïque. La structure cellulaire comprend un contact arrière métallique (qui peut être en Al, Au ou Ag), une couche de transfert de trous (spiro-MeOTAD, P3HT, PTAA, CuSCN, CuI ou NiO) et une couche absorbante (CH3NH3PbIxBr3-x, CH3NH3PbIxCl3-x ou CH3NH3PbI3), une couche de transport d'électrons (TiO, ZnO, Al2O3 ou SnO2) et une couche de contact supérieure (oxyde d'étain dopé au fluor ou oxyde d'indium dopé à l'étain).
Il existe un nombre limité d'études publiées sur les impacts environnementaux des cellules solaires à pérovskite. La principale préoccupation environnementale concerne le plomb utilisé dans la couche absorbante. En raison de l’instabilité des cellules pérovskites, le plomb peut éventuellement être exposé à l’eau douce pendant la phase d’utilisation. Deux études ACV publiées ont examiné la toxicité humaine et écotoxicologique des cellules solaires à pérovskite et ont révélé qu'elles étaient étonnamment faibles et ne constituaient peut-être pas un problème environnemental. Gong et coll. a trouvé une énergie de traitement directe de 30 MJ/m2, tandis qu'Espinosa n'a pas signalé cette valeur (mais l'a estimée à environ 1 000 MJ/m2). Le potentiel de réchauffement climatique s’est avéré compris entre 24 et 1 500 grammes d’équivalent CO2/kWh de production d’électricité. De même, l’EPBT rapporté dans l’article publié varie de 0,2 à 15 ans. La large gamme de valeurs rapportées met en évidence les incertitudes associées à ces études.
Deux nouvelles technologies de couches minces prometteuses sont le sulfure de cuivre, de zinc et d'étain (Cu2ZnSnS4 ou CZTS) et le phosphure de zinc (Zn3P2). Ces deux films minces sont actuellement produits uniquement en laboratoire mais pourraient être commercialisés à l’avenir. Leurs processus de fabrication devraient être similaires à ceux des technologies actuelles de couches minces du CIGS et du CdTe, respectivement. Pourtant, contrairement au CIGS et au CdTe, le CZTS et le Zn3P2 sont fabriqués à partir de matériaux non toxiques abondants dans la terre et ont le potentiel de produire plus d’électricité par an que la consommation mondiale actuelle. Bien que le CZTS et le Zn3P2 soient très prometteurs pour ces raisons, les implications environnementales spécifiques de leur production commerciale ne sont pas encore connues. Le potentiel de réchauffement climatique du CZTS et du Zn3P2 a été trouvé à 38 et 30 grammes d'équivalent CO2/kWh, tandis que leur EPBT correspondant a été trouvé à 1,85 et 0,78 ans, respectivement. Dans l’ensemble, le CdTe et le Zn3P2 ont des impacts environnementaux similaires mais peuvent légèrement surpasser le CIGS et le CZTS.
Le photovoltaïque organique et polymère (OPV) est un domaine de recherche relativement nouveau. Les couches traditionnelles de structure cellulaire OPV se composent d'une électrode semi-transparente, d'une couche de blocage d'électrons, d'une jonction tunnel, d'une couche de blocage de trous, d'une électrode, le soleil frappant l'électrode transparente. L'OPV remplace l'argent par du carbone comme matériau d'électrode, réduisant ainsi les coûts de fabrication et les rendant plus respectueux de l'environnement. Les OPV sont flexibles, légers et fonctionnent bien avec la fabrication rouleau à rouleau pour la production de masse. L'OPV utilise « uniquement des éléments abondants couplés à une énergie grise extrêmement faible grâce à des températures de traitement très basses en utilisant uniquement des conditions de traitement ambiantes sur un équipement d'impression simple permettant des délais de récupération d'énergie ». Les rendements actuels varient de 1 à 6,5 %, mais les analyses théoriques sont prometteuses au-delà de 10 %.
Il existe de nombreuses configurations différentes d'OPV utilisant différents matériaux pour chaque couche. La technologie OPV rivalise avec les technologies photovoltaïques existantes en termes d'EPBT même si elles présentent actuellement une durée de vie opérationnelle plus courte. Une étude de 2013 a analysé 12 configurations différentes, toutes avec un rendement de 2 %, l'EPBT variait de 0,29 à 0,52 ans pour 1 m² de PV. La moyenne CO2-eq/kWh pour l’OPV est de 54,922 grammes.
Économie
Au fil des ans, des changements majeurs ont eu lieu dans les coûts sous-jacents, la structure industrielle et les prix du marché de la technologie solaire photovoltaïque, et obtenir une image cohérente des changements qui se produisent tout au long de la chaîne de valeur industrielle à l’échelle mondiale constitue un défi. Cela est dû à : "la rapidité des changements de coûts et de prix, la complexité de la chaîne d'approvisionnement photovoltaïque, qui implique un grand nombre de processus de fabrication, l'équilibre du système (BOS) et les coûts d'installation associés aux systèmes photovoltaïques complets, le choix des différents canaux de distribution et différences entre les marchés régionaux au sein desquels le photovoltaïque est déployé". D'autres complexités résultent des nombreuses initiatives de soutien politique qui ont été mises en place pour faciliter la commercialisation du photovoltaïque dans divers pays.
L'industrie photovoltaïque a connu des baisses spectaculaires des prix des modules depuis 2008. Fin 2011, les prix départ usine des modules photovoltaïques en silicium cristallin sont tombés sous la barre des 1,00 $/W. Le coût installé de 1,00 $/W est souvent considéré dans l'industrie photovoltaïque comme marquant l'atteinte de la parité réseau pour le photovoltaïque. Les progrès technologiques, l’amélioration des processus de fabrication et la restructuration de l’industrie signifient que de nouvelles réductions de prix sont probables dans les années à venir.
Des incitations financières pour le photovoltaïque, telles que des tarifs de rachat, ont souvent été proposées aux consommateurs d'électricité pour qu'ils installent et exploitent des systèmes de production d'électricité solaire. Le gouvernement a parfois également proposé des incitations afin d'encourager l'industrie photovoltaïque à réaliser les économies d'échelle nécessaires pour être compétitive là où le coût de l'électricité produite par l'énergie photovoltaïque est supérieur à celui du réseau existant. De telles politiques sont mises en œuvre pour promouvoir l'indépendance énergétique nationale ou territoriale, la création d'emplois de haute technologie et la réduction des émissions de dioxyde de carbone qui provoquent le réchauffement climatique. En raison des économies d'échelle, les panneaux solaires deviennent moins coûteux à mesure que les gens les utilisent et achètent davantage. À mesure que les fabricants augmentent leur production pour répondre à la demande, le coût et le prix devraient baisser dans les années à venir.
Le rendement des cellules solaires varie de 6 % pour les cellules solaires à base de silicium amorphe à 44,0 % pour les cellules photovoltaïques concentrées à jonctions multiples. Les rendements de conversion d'énergie des cellules solaires pour les systèmes photovoltaïques disponibles dans le commerce sont d'environ 14 à 22 %. Le photovoltaïque concentré (CPV) peut réduire les coûts en concentrant jusqu'à 1 000 soleils (à travers une loupe) sur une cellule photovoltaïque de plus petite taille. Cependant, une telle concentration d’énergie solaire nécessite des conceptions sophistiquées de dissipateurs thermiques, sinon la cellule photovoltaïque surchauffe, ce qui réduit son efficacité et sa durée de vie. Pour exacerber encore davantage la conception du refroidissement concentré, le dissipateur thermique doit être passif, sinon la puissance requise pour le refroidissement actif réduirait l'efficacité et l'économie globales.
Les prix des cellules solaires en silicium cristallin sont passés de 76,67 $/Watt en 1977 à environ 0,74 $/Watt en 2013. Ceci est considéré comme une preuve à l'appui de la loi de Swanson, une observation similaire à la célèbre loi de Moore qui stipule que les prix des cellules solaires chutent de 20 % pour chaque doublement de la capacité de l’industrie.
En 2011, le prix des modules photovoltaïques a chuté de 60 % depuis l'été 2008, selon les estimations de Bloomberg New Energy Finance, mettant pour la première fois l'énergie solaire sur un pied de concurrence avec le prix de détail de l'électricité dans un certain nombre de pays ensoleillés. des pays; un chiffre alternatif et cohérent de baisse des prix de 75 % entre 2007 et 2012 a également été publié, bien qu'il ne soit pas clair si ces chiffres sont spécifiques aux États-Unis ou à l'échelle mondiale. Le coût actualisé de l'électricité photovoltaïque (LCOE) est compétitif par rapport aux sources d'électricité conventionnelles dans une liste croissante de régions géographiques, en particulier lorsque la période de production est incluse, car l'électricité vaut plus pendant la journée que la nuit. La concurrence est féroce au sein de la chaîne d’approvisionnement et de nouvelles améliorations du coût actualisé de l’énergie solaire sont à venir, ce qui constituera une menace croissante pour la domination des sources de production d’énergie fossile au cours des prochaines années. Au fil du temps, les technologies liées aux énergies renouvelables deviennent généralement moins chères, tandis que les combustibles fossiles deviennent généralement plus chers :
Depuis 2011, le coût du photovoltaïque est tombé bien en dessous de celui de l’énergie nucléaire et devrait encore baisser. Le prix de détail moyen des cellules solaires, suivi par le groupe Solarbuzz, est passé de 3,50 $/watt à 2,43 $/watt au cours de l'année 2011.
Pour les installations à grande échelle, des prix inférieurs à 1,00 $/watt ont été atteints. Un prix du module de 0,60 euro/watt (0,78 $/watt) a été publié pour un accord à grande échelle sur 5 ans en avril 2012.
Fin 2012, le prix du module « le meilleur de sa catégorie » était tombé à 0,50 $/watt et devrait chuter à 0,36 $/watt d'ici 2017.
Dans de nombreux endroits, le photovoltaïque a atteint la parité réseau, qui est généralement définie comme des coûts de production photovoltaïques égaux ou inférieurs aux prix de détail de l'électricité (bien que souvent encore supérieurs aux prix des centrales électriques pour la production au charbon ou au gaz sans leur distribution et autres coûts). Cependant, dans de nombreux pays, un meilleur accès au capital reste nécessaire pour développer des projets photovoltaïques. Pour résoudre ce problème, la titrisation a été proposée et utilisée pour accélérer le développement de projets solaires photovoltaïques. Par exemple, SolarCity a proposé le premier titre américain adossé à des actifs dans l’industrie solaire en 2013.
L'énergie photovoltaïque est également produite à une heure de la journée proche de la demande de pointe (la précédant) dans les systèmes électriques à forte utilisation de la climatisation. Plus généralement, il est désormais évident que, compte tenu d’un prix du carbone de 50 dollars/tonne, ce qui augmenterait le prix de l’électricité produite au charbon de 5c/kWh, l’énergie solaire photovoltaïque sera compétitive dans la plupart des endroits. La baisse du prix du photovoltaïque s'est reflétée dans la croissance rapide des installations, totalisant environ 23 GW en 2011. Même si une certaine consolidation est probable en 2012, en raison de la réduction des soutiens sur les grands marchés d'Allemagne et d'Italie, une forte croissance semble se poursuivre pour le reste. de la décennie. Déjà, selon une estimation, l’investissement total dans les énergies renouvelables pour 2011 a dépassé l’investissement dans la production d’électricité à base de carbone.
Dans le cas de l'autoconsommation, le temps de récupération est calculé en fonction de la quantité d'électricité qui n'est pas prélevée sur le réseau. De plus, l’utilisation de l’énergie solaire photovoltaïque pour charger les batteries à courant continu, telle qu’elle est utilisée dans les véhicules électriques hybrides rechargeables et les véhicules électriques, conduit à une plus grande efficacité. Traditionnellement, l'électricité produite en courant continu à partir de l'énergie solaire photovoltaïque doit être convertie en courant alternatif pour les bâtiments, avec une perte moyenne de 10 % lors de la conversion. Une perte d'efficacité supplémentaire se produit lors du retour au courant continu pour les appareils et les véhicules alimentés par batterie, et en utilisant divers taux d'intérêt et changements de prix de l'énergie, nous avons calculé pour trouver des valeurs actuelles allant de 2 057,13 $ à 8 213,64 $ (analyse de 2009).
Par exemple, en Allemagne, avec des prix de l'électricité de 0,25 euro/kWh et une insolation de 900 kWh/kW, un kWc permettra d'économiser 225 euros par an et avec un coût d'installation de 1 700 euros/kWc, cela signifie que le système sera amorti en moins de 7 ans.
Fabrication
Dans l'ensemble, le
Le processus de fabrication de création d'énergie solaire photovoltaïque est simple dans la mesure où il
ne nécessite pas l’aboutissement de nombreuses pièces complexes ou mobiles. En raison de l
nature à l'état solide des systèmes photovoltaïques, ils ont souvent des durées de vie relativement longues,
entre 10 et 30 ans. Afin d'augmenter la puissance électrique d'un PV
système, le fabricant doit simplement ajouter plus de composants photovoltaïques et
pour cette raison, les économies d'échelle sont importantes pour les fabricants car les coûts
diminue avec l’augmentation de la production.
Bien qu'il existe de nombreux types de systèmes photovoltaïques connus pour leur efficacité, le photovoltaïque au silicium cristallin représentait environ 90 % de la production mondiale de photovoltaïque en 2013. La fabrication de systèmes photovoltaïques au silicium comporte plusieurs étapes. Tout d’abord, le polysilicium est traité à partir du quartz extrait jusqu’à ce qu’il soit très pur (qualité semi-conducteur). Celui-ci est fondu lorsque de petites quantités de bore, un élément du groupe III, sont ajoutées pour produire un semi-conducteur de type p riche en trous électroniques. En utilisant généralement un cristal germe, un lingot de cette solution est