Situation énergétique mondiale

À l’échelle mondiale, la demande énergétique est en forte augmentation sous l’effet de la croissance démographique et de la croissance économique. À titre d’exemple, la production mondiale d’énergie primaire (en millions de tonnes équivalent pétrole [Mtep]) est passée de 6213 en 1973 à 13 594 en 2013. (Figure I- 1). Les énergies fossiles, au premier rang desquelles le pétrole, assurent aujourd’hui plus de 80 % de l’offre. Cette situation marque la dépendance mondiale aux énergies carbonées et pose la question de sa soutenabilité, tant sur le plan environnemental que sur celui de l’approvisionnement en matières premières. Les réserves mondiales d’énergies fossiles sont de moins en moins abondantes et les conditions de leur accès sont de plus en plus difficiles : les investissements en infrastructures nécessaires pour l’utilisation des ressources sont massifs et le contexte géopolitique est par nature incertain. De plus, la contrainte climatique devrait par ailleurs apparaître plus tôt que la contrainte géologique.Ces problèmes sont réduits dans le cas des énergies renouvelables : la ressource est en perpétuel renouvellement, mieux répartie sur le globe et ces énergies génèrent beaucoup moins de gaz à effet de serre. Cependant, elles sont encore très minoritaires dans la production d’énergie (13.8 % de la production d’énergie primaire en 2013) [1], à cause d’une densité de production d’énergie faible, des coûts élevés et des rendements encore trop bas. Résoudre ces difficultés permettrait donc d’augmenter leur part dans le bouquet énergétique et ainsi d’atténuer les inconvénients que l’utilisation massive d’énergies fossiles nous fait subir. La recherche de nouvelles énergies afin de remplacer les ressources minérales et de maintenir un environnement sain est un point clé pour la société humaine, identifié comme prioritaire par la plupart des grandes instances de recherches nationales (Agence National de la Recherche) et internationales (Commission Européenne). L’énergie solaire, au côté de l’éolien, la biomasse, l’énergie marémotrice et la géothermie, a émergé en tant que source d’énergie renouvelable pour notre planète, et la conversion photovoltaïque en particulier apparaît comme un candidat de choix .

L’énergie photovoltaïque

 Contexte

L’énergie solaire est la source d’énergie la plus abondante sur terre (885 000 000 TWh/an) et la moins polluante. La quantité de rayonnement solaire atteignant la surface de la Terre en une heure correspond à la consommation énergétique mondiale annuelle. Elle offre une solution permanente aux problèmes liés au réchauffement climatique et aux gaz à effet de serre provoqués par les énergies fossiles. Actuellement, la conversion de l’énergie solaire peut se faire à travers les cellules photovoltaïques (PV), des cellules PV sous concentration et les technologies solairesthermales. L’effet photovoltaïque, qui désigne la capacité d’un matériau à convertir l’énergie contenue dans le rayonnement solaire en électricité, a été découvert en 1839 par le physicien Alexandre Edmond Becquerel. Il observa qu’une différence de potentiel apparaissait entre deux électrodes plongées dans un électrolyte liquide lorsque le dispositif était éclairé. Le premier dispositif photovoltaïque a vu le jour en 1883 avec l’apparition de la première cellule solaire à base de sélénium, développée par Adam et Day. Il a fallu attendre 1954 pour que D. M. Chapin, C.S. Fuller et G. L. annoncent la mise au point de la première cellule au silicium dont le rendement a atteint 5 %, marquant ainsi véritablement la naissance de l’électricité photovoltaïque. Les premières applications ont lieu dès 1958 avec l’équipement de satellites spatiaux avec la mise au point d’une cellule avec un rendement de 9 %. Mais il faut attendre les années 70 pour que les gouvernements et les industries investissent dans la technologie photovoltaïque afin d’accentuer les efforts de réduction des coûts de production pour permettre les applications terrestres. De nos jours, l’énergie solaire fournit seulement une petite fraction de l’énergie électrique totale générée, mais l’utilisation des cellules photovoltaïques s’étend très rapidement (taux de croissance moyen : +30-40 %, rapport EPIA), grâce notamment à la diminution rapide du coût de ce type de technologies (Figure I- 2.b) [2, 5]. Entre 2000 et 2010, la plupart des installations sont réalisées au Japon et en Europe, particulièrement en Allemagne. La capacité installée dans ce pays connait une forte progression notamment entre 2010 et 2012, années durant lesquelles entre 7,4 et 7,6 GW ont été installés (annuellement). Cependant, après des années de « bonne santé », le marché photovoltaïque européen connait un ralentissement important à cause de la crise économique et de la diminution des aides vers la fin des années 2000. Parallèlement à cela, l’Asie (la Chine en particulier) devient le  principal producteur de modules photovoltaïques, en diminue drastiquement les prix et commence à développer massivement ses installations photovoltaïques. Les producteurs européens souffrent alors et ralentissent significativement leur production. Par ailleurs, l’année 2012 sera marquée par la baisse des installations PV en Europe, ce qui n’était pas arrivé depuis des années. Le marché du photovoltaïque a donc connu de fortes évolutions au cours de ces dernières années. En constant progrès malgré les politiques menées et les situations économiques, le photovoltaïque reste néanmoins la ressource énergétique d’origine renouvelable la moins exploitée. Excepté pour l’Allemagne dont les capacités installées tendent à se stabiliser, les autres marchés européens voient leur capacité installée fluctuer de manière conséquente. Pour que ces technologies soient utilisées sur un marché plus large, le prix par watt doit être revu à la baisse et être inférieur ou égal au prix de l’électricité générée par les fossiles. Cela nécessite une augmentation en termes de performance et une baisse des coûts. Les coûts de production du kWh photovoltaïque varient aujourd’hui en Europe entre 15 et 30 centimes, selon les zones d’ensoleillement (Figure I- 2.b). Entre la concurrence que se livrent les industriels du secteur et les progrès technologiques stimulés par une demande croissante, le prix des modules photovoltaïques a été divisé par trois au cours des vingt dernières années. Cette évolution se poursuit aujourd’hui dans un contexte où les prix de l’énergie, et donc de l’électricité, sont orientés à la hausse.

Principe et limites de la conversion photovoltaïque

Les cellules photovoltaïques classiques utilisent une jonction p-n formée par la mise en contact de deux semi-conducteurs pour convertir les rayons du soleil en énergie électrique. Les matériaux semi-conducteurs sont caractérisés par leur largeur de bande interdite qui est l’écart entre sa bande de valence et sa bande de conduction. La physique du fonctionnement des cellules solaires a été abondamment documentée par Jenny Nelson [6]. Sous illumination, ces derniers sont capables d’absorber des photons dont l’énergie est supérieure à la largeur de bande interdite. L’énergie du photon est absorbée par un électron de la bande de valence, qui est transféré dans la bande de conduction. Son absence dans la bande de valence est modélisée par un trou, porteur de charge positive. L’absorption du photon génère ainsi une paire électron-trou. La juxtaposition des zones p et n forme un champ électrique, qui repousse les électrons vers la zone de type n et les trous vers la zone de type p. Le semi-conducteur qui absorbe les photons de la partie visible du spectre solaire est appelé absorbeur. Pour la réalisation des cellules solaires, les absorbeurs les plus utilisés ont une bande interdite  comprise entre 1.1 et 1.8 eV avec un optimum à 1.5 eV.