L'énergie solaire va transformer la production d'électricité dans les 10 à 20 prochaines années. Découvrez comment dans cette formation 

Dans cette formation, nous répondrons en détail aux questions suivantes.

2. Comment une cellule solaire photovoltaïque produit-elle de l'électricité ?

3. Quels sont les différents types de cellules qui existent aujourd'hui ? Quelle est leur rendement ?

4. Quel est le coût de l'énergie solaire ?

5. Comment le coût des centrales solaires se compare-t-il à ceux des autres technologies de génération d'électricité ?

6. Quels sont les inconvénients de l'énergie solaire ?

Voici un résumé de quelques points clés.

Quelle est la quantité d'énergie que nous recevons du soleil ?

La Terre reçoit 174 pétajoules d'énergie du soleil chaque seconde. Sur une période d'un an, il tombe sur la surface de la Terre suffisamment d'énergie solaire pour remplacer toute la production énergétique mondiale actuelle. Son potentiel dépasse de loin la production énergétique combinée du charbon, du pétrole, du gaz naturel, de l'hydroélectricité, du nucléaire et des biocarburants. Les systèmes photovoltaïques nous permettent d'exploiter cette ressource abondante en convertissant l'énergie solaire en électricité. En 2018, les systèmes photovoltaïques solaires ont produit 2,4 % de l'approvisionnement mondial en électricité, générant 505 GW et ce chiffre ne cesse de croître.

Production mondiale d'électricité solaire photovoltaïque par pays

 Source: RENEWABLES 2019 GLOBAL STATUS REPORT 

Selon Eicke Weber, directeur de l’Institut Fraunhofer pour les systèmes énergétiques solaires,

Entre 2030 et 2050, nous verrons 10 à 30 % de la demande énergétique mondiale satisfaite par le solaire photovoltaïque (PV). Nous sommes actuellement dans un état embryonnaire par rapport à la situation dans laquelle nous nous trouverons dans quelques décennies.

Dans cette formation, nous vous présenterons un aperçu de l'utilisation de l'énergie solaire pour la génération d'électricité, en particulier avec les technologies solaires photovoltaïques (également connues sous le nom de PV solaire).

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Comment une cellule solaire photovoltaïque produit-elle de l'électricité ?

La cellule solaire est constituée d'un semi-conducteur, généralement du silicium qui a été "dopé" avec un agent qui a la propension de gagner ou de perdre des électrons. Le phosphore et le bore sont des exemples d'agents dopants.

Le silicium dopé au phosphore peut perdre des électrons et est est appelé "semi-conducteur de type N." Comme un semi-conducteur de type N veut perdre des électrons, il acquiert une charge positive.

D'autre part, le silicium dopé au bore manque d'électrons, c'est-à-dire qu'il possède une abondance de "trous". Il est connu comme un semi-conducteur de type P. Comme le silicium de type P veut perdre des trous et gagner des électrons, il acquiert une charge négative.

La fusion de ces deux types de silicium forme une jonction PN, soit la base de la cellule solaire.

La jonction PN d'une cellule solaire

Source: Physics Stack exchange 

Un champ électrique interne (E) se forme à la jonction. La force du champ électrique empêche les charges libres présentes dans le silicium de type P et de type N de se recombiner.

Lorsqu'un photon heurte la cellule solaire, il transmet son énergie à un électron dans le réseau cristallin. Cette énergie excite un électron du silicium de type P et le "pousse" dans la bande de conduction, où il est libre de se déplacer dans le semi-conducteur. La différence d'énergie entre la bande de valence et la bande de conduction est appelée la "bande interdite.

Lorsque l'électron quitte le silicium de type P, il laisse sa place vide, créant ainsi un "trou". Un électron d'un atome voisin se déplace dans le "trou", laissant un autre trou derrière lui.

De cette façon, les trous se propagent à travers le réseau cristallin. À ce moment-là, l'électricité commence à circuler dans le circuit. Ce phénomène est appelé "effet photovoltaïque".

Idéalement, un photon ayant une énergie égale à celle de la bande interdite frappe la cellule solaire et excite un électron de la bande de valence à la bande de conduction.

Notez que les différents matériaux ont des énergies de bande interdite différentes, comme le montre ce tableau.

Les énergies de la bande interdite de divers semi-conducteurs  

Aujourd'hui, la plupart des panneaux solaires sont constitués de cellules solaires en silicium. Cependant, la plupart des photons qui frappent la Terre ont une énergie supérieure à la bande interdite du silicium. La cellule solaire absorbe toujours ces photons à haute énergie, mais leur "énergie supplémentaire" est convertie en chaleur plutôt qu'en électricité. Lorsque cela se produit, l'efficacité de la cellule solaire diminue.

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Quels sont les différents types de cellules qui existent aujourd'hui ? 

Les cellules solaires sont-elles suffisamment efficaces pour transformer l'énergie solaire en électricité ?

Les chercheurs travaillent de manière continue pour améliorer l'efficacité des cellules solaires. Chaque nouvelle vague de cellules solaires donne naissance à une nouvelle génération de dispositifs photovoltaïques.

Aujourd'hui, il existe trois générations soient,

1. le silicium cristallin (cellules solaires monocristallines et multicristallines)
2. les couches minces
3. les PV émergents

Les cellules solaires en silicium mono et multicristallin commerciales ont un rendement d'environ 18-23%.

Les cellules solaires de deuxième génération, également appelé les cellules solaires à couches minces, comprennent les cellules solaires amorphes, les cellules solaires au tellurure de cadmium (CdTe), les cellules solaires au diséléniure de cuivre (CdS), et les cellules solaires au CIGS (Cuivre - Indium - Gallium - Selenium). En laboratoire, celles en CIGS et en CdTe ont atteint un rendement de 18 % alors que le rendement de celles en  silicium amorphe n'est que de 13 %.

La troisième génération de cellules solaires comprend plusieurs technologies à couche mince dites "photovoltaïques émergentes". La plupart des cellules solaires de troisième génération n'a pas encore été commercialisé et est encore en phase de recherche et développement. Aujourd'hui, le rendement de ce type de cellule solaire est d'environ 10 %.

Rendements des cellules solaires

Source: IRENA Letting in the Light 

La cellule solaire Perovskite est un exemple de photovoltaïque émergent. Elle est basée sur des matériaux peu coûteux et s'avère très prometteuse en termes d'efficience et de coût.

Le rendement des cellules solaires pérovskites en laboratoire s'est considérablement amélioré, passant de 14 à 22 % ces dernières années.

Voici une photo d'un module solaire pérovskite imprimée par jet d'encre sur un substrat flexible. Une DEL externe montre que le module peut produire de l'énergie sous des conditions de lumière diffuse.

Module solaire Pérovskite

Source: Saule Technologies 

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Quel est le coût de l'énergie solaire ?

Lorsqu'ils analysent le coût d'une centrale électrique, les investisseurs se penchent sur le "coût actualisé de l'énergie". Il s'agit du rapport entre le coût total de la centrale d'énergie sur toute sa durée de vie et sa production électrique. En bref, c'est le prix que le projet doit gagner par mégawatt-heure pour atteindre le seuil de rentabilité. Ce ratio est connu sous l'acronyme anglais LCOE qui signifie "Levelized Cost of Energy".

Cette figure montre la plage de LCOE pour des projets PV réalisé entre 2010 et 2017, en tenant compte des capacités électriques des projets individuels. Entre 2010 et 2017, le LCOE du photovoltaïque solaire a chuté de 72 %, passant de 0,36 USD/kWh à 0,10 USD/kWh (360 USD/MWh à 100 USD/MWh).

Le coût du photovoltaïque solaire a chuté de 72 % entre 2010 et 2017

Source: IRENA Renewable Power Generation Costs 

La réduction prévue des coûts d'installation pourrait se traduire par une diminution moyenne de 59 % du LCOE des projets PV à l'échelle commerciale entre 2015 et 2025. D'ici 2025, la moyenne pondérée mondiale des coûts d'exploitation pourrait atteindre 0,03 USD/kWh (30 USD/MWh).

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Comment le coût des centrales solaires se compare-t-il à ceux des autres technologies de production d'électricité ?

Selon le rapport d'IRENA publié en 2018 intitulé "Renewable Power Generation Costs in 2017", les coûts des installations photovoltaïques solaires à l'échelle des services publics sont comparables à ceux des autres sources d'énergie renouvelables et même à ceux des installations alimentées par des combustibles fossiles.

Ce graphique montre la moyenne pondérée mondiale du LCOE de chaque technologie, à l'exclusion de toute subvention.

Le LCOE moyen du photovoltaïque solaire est comparable à celui des centrales électriques à combustibles fossiles

Source: IRENA Renewable Power Generation Costs

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Quels sont les inconvénients de l'énergie solaire ?

Les différentes sources d'électricité ont également des coûts environnementaux différents. Aujourd'hui, nous nous concentrons sur les émissions de carbone et de gaz à effet de serre (GES). Les centrales solaires produisent peu d'émissions, alors que d'autres types de centrales peuvent en produire beaucoup plus.

Cependant, la fiabilité est une préoccupation importante. Les sources d'énergie intermittentes, telles que l'éolien et le solaire, doivent être complétées par d'autres sources de production. Ce qui nous amène au sujet d'une formation à venir : le stockage de l'énergie. Mais tout d'abord, nous vous invitons à visionner la première vidéo de cette formation ci-dessous.

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