Les activités du CEA se concentrent sur deux axes de R&D majeurs :
- Le photovoltaïque à haut rendement dédié à la massification de la production électrique. L’enjeu est d’utiliser au mieux les surfaces disponibles - sur lesquelles seront installés les panneaux - en les dotant d’installations performantes pour produire le maximum d’énergie par unité de surface.
- L’intégration de modules photovoltaïques dans des supports divers tels que les bâtiments, véhicules, infrastructures (photovoltaïque everywhere). L’objectif est d’ajouter à ces derniers de nouvelles fonctionnalités, rendues possibles grâce à l’autonomie énergétique fournie par les modules et ainsi augmenter leur valeur à travers les avantages indirects qui en résultent.
rendement
Le photovoltaïque à haut rendement
Les recherches dans le domaine sont menées par les équipes du CEA-Liten. Elles portent sur l’ensemble de la chaîne de valeur des composants photovoltaïques, allant du matériau au système, en passant par la cellule et le module. L’objectif est d’améliorer les rendements pour dépasser les 25 % sur des cellules silicium grande surface et à terme dépasser les 30 % avec des technologies dites tandem, c’est-à-dire alliant silicium et
pérovskite.
Il y a quatre axes de travail sur le photovoltaïque à haut-rendement :
La fabrication de plaquettes silicium
Pour fabriquer des cellules photovoltaïques haute performance, il faut disposer de substrat semi-conducteur de très haute qualité. Le CEA s’est tourné vers les matériaux monocristallins employés dans la microélectronique, dont la pureté chimique et cristallographique garantit une grande mobilité et durée de vie des porteurs de charge. Pour mieux exploiter ce matériau et optimiser les coûts, le CEA a mis au point un procédé de production des substrats à partir du lingot de silicium monocristallin reposant sur la découpe au fil diamant.
Scie à fil pour la découpe des wafers de silicium. Zoom sur la bobine de fil © D. Guillaudin / CEA
Les cellules à hétérojonction haute performance
Le CEA a choisi de miser, pour le court et moyen terme, sur la technologie des cellules à hétérojonction (HET) pour leur rendement élevé et peu dépendant de la température. La technologie implique l’usage d’équipements plus onéreux que les technologies conventionnelles à homojonction mais le nombre réduit d’étapes nécessaires à leur fabrication, couplé au rendement élevé de ces cellules, permet d’atteindre un coût de production en €/W compétitif.
Cellule HET busbarless pour interconnexion smart wire tm © L. Godart / CEA
L’autre avantage majeur de l’hétérojonction est la possibilité de réaliser des cellules photovoltaïques bifaciales, dont la face avant produit de l’énergie électrique, et la face arrière capte une partie des rayons du soleil réfléchis par la surface du sol sur laquelle les modules sont installés, qui est également convertie en électricité, d’où un gain de rendement de quelques %. Aujourd’hui et avec cette technologie, le CEA a atteint le seuil de rendement de 25 %, valeur supérieure à celui des cellules à homojonction les plus avancées (23 %).
Le CEA développe cette technologie des cellules à hétérojonction depuis une quinzaine d’années et la maîtrise à une échelle quasi-industrielle. Il a déjà transféré avec succès cette technologie à la société ENEL Green Power en Italie.
Pour le plus long terme, le CEA travaille au développement de structures tandem silicium / pérovskite qui sont conçues pour absorber une plus grande partie du spectre solaire. L'objectif est de parvenir d’ici 2030 à des cellules avec un rendement de 30 % d'efficacité et 25 ans de durée de vie une fois intégrées en module. Des verrous technologiques restent à lever : améliorer leur stabilité et limiter leur sensibilité à la chaleur, aux UV ou encore à l’humidité.
Laboratoire dédié aux activités cellules pérovskites et tandems © D. Guillaudin / CEA
L’optimisation de la mise en modules
La mise en module est une étape clef dans la chaîne de valeur des systèmes photovoltaïques car elle combine deux défis : la connexion des cellules entre elles pour réaliser un composant d’une puissance significative avec la recherche d’une enveloppe transparente et étanche pour protéger les cellules de l’environnement extérieur. Les procédés de mise en modules sont spécifiques des technologies des cellules et de l’application visée. Les recherches menées au CEA ont pour objectif ultime d’augmenter la puissance produite par unité de surface occupée par le module et d’en limiter la dégradation dans le temps. Elles intègrent également la notion d’écoconception pour limiter l’impact environnemental des modules conçus, favoriser les opérations de recyclage des modules en fin de vie.
Les modules bifaciaux
Pour les technologies qui le permettent comme la technologie silicium à hétérojonction, la mise en module biface apporte des gains de rendement qu’il faut être capable de mesurer. Aussi, le CEA a mis en place des plateformes capables de tester diverses configurations d’orientation des modules par rapport à l’azimut (qui est l'angle formé par la direction de référence et la direction de l'objet en question) et plusieurs angles d’inclinaison par rapport au sol ainsi que diverses natures du sol (gravier, végétaux, eau) pour évaluer le rendement de la face arrière en fonction de la nature du sol et de son
albédo.
Les nouveaux procédés d’interconnexion de cellules et d’encapsulation
Bien que reposant sur des technologies classiques, la mise en module est critique car elle est la source potentielle d’une majorité des défaillances de fabrication. Le CEA travaille à la maîtrise de l’étanchéité des panneaux pour ralentir la dégradation des cellules. Par ailleurs le CEA mène des travaux pour diminuer l’empreinte environnementale des modules. Il a notamment développé un processus de caractérisation et d’évaluation des encapsulants vis-à-vis de critères de performance, de facilité de mise en œuvre, de disponibilité de la matière et de durabilité pour l’application visée afin de guider le choix du matériau présentant le meilleur compromis performance/empreinte environnementale.
Les modules haute performance : nouvelles architectures
L’architecture des panneaux est un autre élément clef pour obtenir la meilleure puissance à partir des cellules. Il est possible de jouer sur plusieurs facteurs, comme par exemple la taille des cellules, techniques de connexion des cellules entre elles. Les études menées au CEA sur l’architecture ont conduit à développer plusieurs approches pour augmenter la puissance :
- L’intégration de demi-cellules qui, puisqu'elles transportent moins de courant, permettent de diminuer de fait les pertes électriques,
- L’utilisation de procédés d’interconnexions filaires entre cellules ou des technologies de chevauchement partiel et collage.
L’innovation dans l’architecture et dans la gestion des systèmes photovoltaïques
Le CEA poursuit des travaux ciblés sur l’architecture physique et électrique des systèmes photovoltaïques pour augmenter leur productivité. Il agit principalement sur la diminution des pertes électriques par un choix adapté et de la tension de travail et de la position des onduleurs. Par ailleurs, il a largement développé le monitoring de nombreuses centrales solaires photovoltaïques installées sur le territoire national et plus récemment à l’international. A l’aide d’algorithmes avancés, il analyse les données issues du monitoring des installations pour réaliser un diagnostic de performance et localiser les dysfonctionnements. Il devient alors possible d’optimiser la productivité des unités de production sur le long terme, d’en assurer la maintenance préventive et d’en diminuer le coût.
Le CEA travaille également sur des concepts d’installations de puissances autres que les centrales au sol conventionnelles. Il développe en particulier de nouvelles approches et technologies pour utiliser des surfaces déjà exploitées par ailleurs. Le savoir-faire du CEA en architecture et en ingénierie module permet d’adapter les caractéristiques des composants à d’autres contraintes que celles rencontrées dans les champs solaires au sol, comme les toitures, les infrastructures linéaires, les installations flottantes et l’agrivoltaïsme qui combine agriculture et production électrique sur la même surface.
everywhere
Le photovoltaïque « everywhere »
Un atout pour l’autonomisation des transports
Un point fort du photovoltaïque est aussi qu’il ouvre la porte à l’autonomie énergétique, ce qui permet d’envisager des applications « nomades », parmi lesquelles figurent les applications aéronautiques et spatiales, ainsi que des solutions de mobilité et de transports maritimes ou terrestres. Ce domaine n’obéit pas à la même logique que le photovoltaïque raccordé au réseau car c’est la fonctionnalité plus que la productivité qui est recherchée.
Equipement d’électroluminescence pour la caractérisation de modules PV, ici pour des applications spatiales © D. Guillaudin / CEA
Des modules photovoltaïques ultra légers pour équiper des ballons stratosphériques
La contribution du CEA au projet StratobusTM porté par Thales Alenia est marquante.
Elle a conduit à la conception de modules photvoltaïques ultra-légers (< 800 g/m²), de haute performance (> 200 W/m² en condition standard) et de surface supérieure à 4 m² pouvant être intégrés à des ballons stratosphériques dédiés aux télécommunications. Passer de modules conventionnels (12 kg/m² pour une surface de 1,6 m²) à un module répondant aux spécifications du partenaire a requis une combinaison de design, de matériaux et de procédés totalement nouvelle qui a été progressivement qualifiée en plusieurs étapes.
Ces travaux ont abouti à
un « Design de vol » fonctionnel comprenant 240 cellules, répondant à l’ensemble des spécifications dimensionnelles.
Ce prototype pourrait être testé en conditions réelles. Par ailleurs, la technologie a déjà été qualifiée selon les normes terrestres (IEC 61215) en attendant d’être testée en conditions de vol, courant 2022. La simplification des infrastructures
Les installations au sol du type, mobilier urbain, infrastructures routières, peuvent également bénéficier de l’autonomie que confère le photovoltaïque car celle-ci permet de supprimer la liaison au réseau, et donc, de supprimer les coûts de raccordement et les perturbations éventuelles qui pourraient en découler. Le photovoltaïque devient ici générateur d’avantages indirects.
L’innovation dans le bâtiment
L’intégration du photovoltaïque dans le domaine du bâtiment producteur d’énergie ou à énergie positive est un axe de R&D mené au CEA, avec une approche globale : bâtiments solaires, convergence habitat-transport, bâtiment vu comme un nœud énergétique capable d'évoluer vers de forts taux d'autoconsommation tout en s'intégrant dans le quartier ou la ville de futur. Le tout en garantissant les meilleures conditions de confort pour l'occupant.
Focus sur les panneaux photovoltaïques du parking solaire de l'INES. © P. Jayet /CEA
Par exemple, le CEA a développé un prototype de façade adaptative solaire constituée de modules PV orientables permettant de contrôler l’éclairement et l’apport solaire à l’intérieur des bâtiments, en plus de maximiser la production solaire en orientant les modules vers le soleil.