La technologie solaire photovoltaïque convertit directement l’énergie du Soleil en électricité. Il s’agit d’une des sources d’énergies renouvelables présentant le plus fort potentiel de déploiement et d’extension de parts de marché mondial, malgré son intermittence. L'amélioration continue des performances des composants et des systèmes assure un coût de production de l'électricité compétitif. Elle occupe de ce fait une part croissante dans la fourniture d'électricité bas-carbone aux réseaux. 

La capacité photovoltaïque installée dans le monde a atteint les 500 GW en 2018 et le niveau du TW devrait être atteint en 2022 ou 2023. Si l’Asie est aujourd’hui le premier marché du photovoltaïque, l’Europe fait un retour sur la scène internationale avec une part de marché d’un peu plus de 10 %, équivalente à celle des Etats Unis. 

En France, pays qui offre le cinquième potentiel d’ensoleillement d’Europe, l’énergie solaire accuse pourtant un retard par rapport à ses voisins. Mais avec la baisse sensible des prix des modules et la volonté politique affichée dans la loi « Énergie-Climat » de 2019, la puissance photovoltaïque installée devrait être multipliée par quatre ou cinq d’ici à 2030.

Les recherches sur le solaire photovoltaïque

Les recherches sur le solaire photovoltaïque portent sur l'ensemble de la chaîne de la valeur des composants photovoltaïques : matériau, cellule, module et système. 

Le silicium utilisé comme matériau de base des cellules doit être de haute qualité ; les travaux de recherche portent donc sur sa pureté et sa cristallisation ainsi que sur la fabrication des substrats. 

L’objectif est d’améliorer le rendement en gardant un coût modéré. Des architectures alternatives à l’architecture historique (dite à homojonction) sont notamment développées pour dépasser les 20 % de rendement. 

Le CEA a misé en particulier sur latechnologie à hétérojonction, qui présente un faible nombre d’étapes de fabrication et une consommation de matière réduite, un potentiel de cadence de production élevé. Une unité représentative d’un pilote de production a ainsi été mise en place à l’Ines, qui a permis un transfert industriel auprès d’un partenaire européen. 

À plus long terme, les recherches visent des rendements dépassant les 30 %, grâce à des technologies en rupture (cellules Tandem silicium-pérovskites). Les cellules sont ensuite assemblées en modules, qui peuvent avoir des puissances unitaires de plusieurs centaines de watts. Les modules sont ensuite intégrés dans des systèmes photovoltaïques dont l’arrangement physique (orientation) et électrique est conçu pour maximiser la production électrique.

Ligne de fabrication de modules photovoltaïques. Élément de vision du stringer pour repérer les contours des cellules et la position des busbars (CEA Ines Chambéry) © P.Avavian / CEA

Un panneau solaire a une durée de vie moyenne de 20 à 30 ans. Dans une logique d’économie circulaire, des études pour limiter l’utilisation de matériaux critiques et recycler les composants sont intégrées dans l’approche globale des recherches sur cette filière.  

Les chercheurs accompagnent aussi le développement à l’export des PME françaises du solaire, pour la vente de leurs technologies et équipements, ou la réalisation d’usines de modules photovoltaïques clés en main.

Les installations de production photovoltaïque ne se limitent pas aux grandes centrales au sol, mais, pour préserver les surfaces agricoles, sont également présentes sur les grandes toitures industrielles ou commerciales et également intégrées dans les bâtiments. À terme, le photovoltaïque deviendra la source majeure de production décentralisée avec les applications dans le bâtiment mais également avec l’intégration dans les routes, le mobilier urbain, ainsi qu’en soutien à la mobilité électrique.

La maison solaire

En France, le bâtiment représente plus de 40 % de la consommation d’énergie finale, devant les transports (25 %) et l’industrie (23 %), et génère, avec 123 millions de tonnes de CO2,plus de 20 % des émissions de gaz à effet de serre par an. L’utilisation de l’énergie solaire est alors un moyen de tendre vers une sobriété énergétique. Les recherches portant sur des bâtiments à énergie positive vont encore plus loin puisque ceux-ci produisent plus d'énergie qu'ils n'en consomment. 

Bâtiments expérimentaux instrumentés (CEA Ines Chambéry) © P.Avavian / CEA

Le solaire thermique et le solaire thermique à concentration

Comment ça marche le solaire thermique ?

La technologie solaire thermique transforme directement le rayonnement solaire en chaleur. Le principe est simple : des capteurs absorbent les photons solaires et les transforment en chaleur. Cette chaleur est ensuite transmise à un liquide ou un gaz qui la transporte (on appelle cela un « fluide caloporteur ») vers un réservoir de stockage d’énergie. Elle est utilisée principalement pour le chauffage de l’eau (sanitaires ou piscines) ou des locaux, et ce depuis le début du siècle dernier.

Banc d'ensoleillement artificiel pour test de performances des capteurs solaires thermiques (CEA Ines Chambéry) © L.Chamussy / Sipa / CEA

Les rendements peuvent atteindre jusqu’à 80 %. Ils permettent une autonomie énergétique à un coût modéré, sans nécessité de raccordement au réseau. 

La voie thermodynamique

L’énergie thermique du Soleil permet aussi de produire de l’électricité par voie thermodynamique : la technologie la plus mature industriellement est laconcentration de la lumière par des miroirs paraboliques longs d’une centaine de mètres. Ils concentrent la chaleur sur un tube récepteur contenant un fluide caloporteur ; le fluide génère ensuite de la vapeur qui est turbinée pour produire de l’électricité. 

Des projets industriels de grande taille ont été réalisés en Espagne, au Moyen-Orient, en Australie et au Maroc. Dans ces zones très ensoleillées, la rentabilité est prouvée : une centrale solaire thermodynamique est amortie au niveau énergétique en 5 mois environ (c'est-à-dire qu'elle aura produit plus d'énergie qu'en a nécessité sa construction et son démarrage).

Démonstrateur thermodynamique de la plateforme solaire thermique à concentration (CEA Cadarache) © P.Avavian / CEA

La technologie des héliostats

Une autre technologie utilise des centaines de miroirs (héliostats) pour faire converger le rayonnement solaire sur une tour de grande hauteur, au sein de laquelle est placée une chaudière. Dans cette chaudière fonctionnant à très haute température, des liquides caloporteurs vont transporter la chaleur vers un réservoir d’eau et la transformer en vapeur qui va entraîner les turbines pour produire de l’électricité comme dans les centrales thermiques conventionnelles.

La puissance de ce type d’installation est de l’ordre de quelques mégawatts à une centaine de mégawatts. L’Espagne a inauguré près de Séville la centrale solaire nommée PS10 d'une puissance de 11 MWe.