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Nouveaux Concepts
D'un avis assez largement partagé par les industriels, le rendement des capteurs photovoltaiques, de par leur valorisation de toute la chaîne du système de production, est l'un des facteurs économiques les plus importants. C'est aussi l'un des paramètres pour lequel les marges de progrès sont les plus importantes (aujourd'hui: commercial à 20%, et 25% sous concentration, contre ~ 90% en théorie, voir figure XXX, en effet, à des termes correctifs près, sans importance ici, le rendement thermodynamique de conversion de l'énergie solaire est borné par le rendement de Carnot 1-T/Ts, où Ts~6000 K est la température de surface du soleil ).
Cette thématique ne comporte pas une filière unique qui serait déjà relativement mature, mais, à l'instar plutôt des filières organiques et hybrides, vise à explorer plusieurs options en termes de matériaux et de processus physiques afin d'approcher les performances ultimes des convertisseurs photovoltaïques. Il s'agit d'anticiper les développements possibles des technologies en posant la question des processus physiques et des dispositifs les mieux à même d'atteindre les rendements limites sans se limiter nécessairement à l'amélioration des dispositifs connus, tous plus ou moins similaires à une diode p/n.
Les voies principales portent sur la découverte de processus et la mise au point de technologies permettant des rendements nettement plus élevés que ceux disponibles actuellement, même au prix, du moins initialement, de coûts de production unitaire plus élevés que ceux disponibles actuellement (exemple: multijonctions III-V sous concentration, bandes intermédiaires, up conversion...).
Aujourd'hui la seule voie à un niveau de développement industriel est celle des multijonctions couplée à de la concentration. Cependant, d'autres voies sont elles aussi explorées pour créer des ruptures technologiques: up ou down conversion (conversions entre photons de longueurs d'ondes différentes de façon à optimiser l'utilisation du spectre solaire), cellules à porteurs chauds (utilisation d'une partie de l'énergie thermalisée pendant la relaxation des porteurs de charge après l'absorption de photons), etc.. [ref: Europhysics News, avril 2010, Actualités Chimiques juin 2009].
Il s'agit d'un domaine jeune, stratégique, et en pleine évolution, dans lequel la R&D joue un rôle prédominant et où la France peut se positionner en vue d'un leadership industriel futur.
Atouts :
Plusieurs arguments militent en faveur d'une action forte en vue d'augmenter à terme fortement les rendements des cellules solaires sur le long terme (>10 ans):
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il y a une limite à la possibilité de baisser les coûts des capteurs photovoltaïques tout en garantissant une performance acceptable dans la durée (en général, et pour les applications "de masse" visées, c'est un fonctionnement sans failles pendant > 20 ans qui est visé) qui impose un coût minimum pour la protection du dispositif (encapsulation). Ces coûts représentent aujourd'hui entre le tiers et la moitié du coût du capteur.
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le capteur PV n'est pas le seul élément dans le calcul du coût final de l'électricité solaire. Si les coûts de maintenance sont négligeables, il en est autrement des coûts d'installation et des autres coûts "systèmes" (électronique de contrôle, onduleur, câblage, etc..) qui représentent souvent plus de la moitié du coût total. Dans ce contexte, l'augmentation du rendement de conversion du capteur est le plus puissant levier de baisse des coûts du kWh solaire.
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dans une vision, qui est celle de l'Institut, d'une énergie PV pouvant être massivement déployée, il faut enfin penser à la compétition possibles sur les usages de l'espace. Même si compte tenu des rendements actuels et de l'abondance de l'énergie solaire la couverture des besoins humains ne pose pas de problème de principe, il est clair que l'espace utilisable au plus près des lieux de consommation est plus limité. L'augmentation des rendements permettra une fourniture de davantage de kWh/m² au voisinage des centres urbains sans l'ajout de coûteuses, et souvent mal acceptées, installations de transport électrique.
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enfin, et toutes choses égales par ailleurs, dans un monde de ressources en voie de raréfaction, l'augmentation des rendements permet de réduire l'empreinte écologique de la filière PV en requérant non seulement moins de matières premières en g/m² pour les dispositifs, mais également moins de matières premières pour l'ensemble du système, moins de rejets induits /kWh pour l'ensemble de la production du système et moins de volume à traiter dans l'ensemble du cycle de vie