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Les principaux axes de la recherche


Sommaire :

Les objectifs communs de la recherche

Pour aller vers une compétitivité accrue du photovoltaïque par rapport aux autres modes de production d’électricité, la recherche peut agir sur deux leviers principaux :

  • Une augmentation du rendement de conversion puissance lumineuse ? puissance électrique des cellules photovoltaïques et des modules (en moyenne 16% pour les modules en silicium)
  • Une baisse des coûts de fabrication des cellules photovoltaïques et des modules, tout en conservant leur durée de vie (supérieure à 25 ans pour la technologie silicium) et en minimisant leur impact environnemental.

Les solutions technologiques envisagées doivent être compatibles avec les objectifs économiques chiffrés et validés par les principaux acteurs européens du photovoltaïque réunis au sein de la Plateforme européenne du photovoltaïque. Les principaux objectifs sont repris dans le tableau ci-dessous [A Strategic Research Agenda for Photovoltaic Solar Energy Technology - 2nd Edition, 2011].

1980201120202030potentiel long terme
Prix typique des systèmes clé en main produisant 100kW (en € 2011/W, HT) >30 2,5 1,5 1 0,5
Coût typique de production du kWh en Europe du Sud (en € 2011/kWh) >2 0,19 0,10 0,06 0,03
Temps de retour énergétique en Europe du Sud (en années) >10 0,5-1,5 <0,5 <0,5 0,25

Les activités de recherche qui contribuent aux efforts communs pour atteindre ces buts portent sur une large palette de sujets :

les cellules et modules photovoltaïques

  • les matériaux
  • la structure des cellules pour optimiser la conversion photovoltaïque
  • les procédés de fabrication et de mise en module

les systèmes photovoltaïques

  • les composants "annexes"
  • l’installation et d’intégration au bâti
  • le fonctionnement et la maintenance
  • le raccordement au réseau

les aspects réglementaires et socio-économiques

  • normes et standards, assurance qualité et sécurité
  • impact environnemental
  • analyses coûts/bénéfices, modes de financement
  • barrières non-techniques, enjeux sociétaux
  • formation, sensibilisation du public et des décideurs

Les cellules photovoltaïques peuvent être classées en 4 grandes catégories suivant les matériaux utilisés et/ou leur mise en forme : les cellules à base de semi-conducteurs III-V, les cellules en silicium cristallin, les cellules en couches minces, les cellules à base de matériaux organiques.

L’évolution des meilleurs rendements de conversion (Puissance électrique générée / Puissance lumineuse incidente) mesurés en laboratoire pour les principaux types de cellules photovoltaïques est reportée sur le graphe ci-dessous. Il faut noter que ces valeurs reflètent le potentiel des matériaux et des structures réalisées en général avec des technologies couteuses et non transférables directement dans l’industrie. A titre indicatif, l’efficacité moyenne d’un module commercial avec cellules en silicium est de 16% et de 13% avec des cellules en CdTe.

Meilleurs rendements de conversion mesurés en laboratoire pour les principaux types de cellules photovoltaïques  - PNG - 141 ko
Meilleurs rendements de conversion mesurés en laboratoire pour les principaux types de cellules photovoltaïques
© Fraunhofer ISE : Photovoltaics report, updated : 26 August 2015

Les recherches actuelles sur la technologie silicium pour la conversion photovoltaïque

Cellule en silicium multicristallin (Photowatt EDF ENR).Format standard 156 mmx 156 mm, épaisseur environ 180 µm.  - PNG - 240.8 ko
Cellule en silicium multicristallin (Photowatt EDF ENR).Format standard 156 mmx 156 mm, épaisseur environ 180 µm.

Les cellules en silicium cristallin représentaient environ 92% de la production en 2014 [© Fraunhofer ISE : Photovoltaics report, chiffres 2015]. Malgré une technologie mature essentiellement issue de la microélectronique, on assiste encore à une progression régulière du rendement moyen des cellules et des modules en silicium (+4% de rendement pour les modules en 10 ans). La même progression absolue est observée pour la filière La figure ci-dessous représente une cellule de type PERL (Passivated Emitter Rare Locally diffused) proche de la fabrication industrielle et qui permet d’illustrer certains enjeux de la R&D actuelle :

Schéma d’une cellule en silicum de type PERL (Passivated Emitter Rare Locally diffused) avec 25% de rendement                       - PNG - 152.4 ko
Schéma d’une cellule en silicum de type PERL (Passivated Emitter Rare Locally diffused) avec 25% de rendement

Les enjeux de la R&D actuelle portent essentiellement sur :

Le matériau silicium et sa mise en forme

  • Nouveaux procédés de purification et de cristallisation du silicium
  • Utilisation du silicium de type n dans lequel les charges électriques ont de plus grandes longueurs de diffusion
  • Réduction de l’épaisseur des plaquettes (wafers) : environ 50 µm de silicium suffisent pour absorber l’énergie solaire incidente utilisable (utilisation de scies à fil diamantés).

La cellule

  • Procédé de nettoyage ‘après sciage’ et la texturation de surface (pour augmenter la pénétration de la lumière) (1).
  • Formation de l’émetteur (formation de la jonction p-n qui crée un champ électrique capable d’entrainer les charges électriques vers les contacts métalliques). La tendance est de diminuer le dopage de l’émetteur en créant éventuellement un dopage localisé plus important sous les contacts (émetteurs sélectifs) (2).
  • Passivation (diminution des défauts aux interfaces) de la face arrière des cellules qui est pour atteindre de hauts rendements. Elle est le plus souvent réalisée par une double couche de matériaux isolants (SiO2 ou Al2O3 et Si3N4) déposée entre le silicium et le métal (4) et induit des étapes technologiques supplémentaires pour la prise de contact électrique. La passivation de la face avant (3) est également un enjeu dans le cas des émetteurs dopés au bore.
  • Métallisations : la R&D vise à remplacer l’argent par du cuivre (dépôts par voie électrochimique), à développer des pâtes métalliques capables de prendre les contacts sur des émetteurs peu dopés et à optimiser la géométrie des contacts (diminution de la largeur des contacts électriques, jusqu’à environ 50 µm pour les doigts, de manière à réduire l’ombrage et diminuer la quantité de métal) (5).

Des structures avancées de cellules sont également développées. On peut citer les cellules bifaciales qui permettent d’utiliser le rayonnement solaire réfléchi au sol (sur sable ou neige par exemple), les cellules à contacts arrières interdigités (IBC pour Interdigited Back Contact) qui n’ont pas de métallisation en face avant (et donc pas d’ombrage) et les cellules à hétérojonctions (absorbeur en silicium cristallin et émetteur en silicium amorphe). De plus les cellules en silicium de type n (moins sensible aux impuretés) ont un rendement de conversion potentiel supérieur aux cellules en silicium de type p mais nécessitent une adaptation des procédés (passivation de l’émetteur dopé au bore par exemple).

Le module

  • Diminution des pertes optiques par réflexion grâce à des couches anti-reflets stables dans le temps et dans l’environnement extérieur.
  • Diminution des pertes électriques aux interconnexions entre cellules
  • Optimisation des matériaux pour l’encapsulation et la face arrière des modules.

Enfin la modélisation, la caractérisation des cellules et des modules aux différentes étapes de fabrication, le développement de nouvelles machines plus efficaces et équipées d’outils de caractérisation en ligne ainsi que le recyclage des panneaux solaires font également partie des sujets de recherche ou de R&D.

Les recherches actuelles sur les matériaux en couches minces pour la conversion photovoltaïque

Les recherches sur les matériaux autres que le silicium en plaquettes (wafers) sont extrêmement nombreuses et variées. Elles portent essentiellement sur des matériaux en couches minces (de l’ordre de quelques µm au maximum). Certaines filières sont commercialisées, en particulier celles à base de semi-conducteurs III-V, de CdTe ou de CIGS.

Les principales filières :

Les cellules en couches minces à base de semi-conducteurs

les cellules en couches minces à base de semi-conducteurs III-V, simples jonctions ou multi-jonctions (par exemple InGaP/GaAs/InGaAs). Ces cellules, qui fonctionnent avec ou sans concentration, détiennent les records de rendement de conversion lumière ? électricité (46% pour 4 jonctions sous concentration). Cependant leur coût de fabrication et d’installation (optique pour la concentration de la lumière et suiveur pour les utilisations terrestres) limite leur utilisation aux domaines tels que le spatial ou certaines grandes installations terrestres.

Les cellules en couches minces inorganiques

les cellules en couches minces inorganiques représentaient environ 9% de la production en 2014. Les matériaux principaux sont des chalcogénures (CdTe et ou CIGS pour CuInGaSe2) et le silicium amorphe. Les couches actives de quelques µm d’épaisseur sont déposées par des techniques à bas coût sur des substrats rigides ou flexibles. Des développements technologiques sont encore nécessaires pour optimiser la formation de la jonction et les contacts sur les cellules en CdTe et CIGS. Des matériaux alternatifs aux éléments peu abondants et toxiques sont recherchés. Des efforts portent également sur la mise en module et sur la mise en forme de cellules sur substrats flexibles.

Les cellules en couches minces organiques ou organiques-inorganiques

les cellules en couches minces organiques ou organiques-inorganiques offrent de nombreuses possibilités de synthèse et de mise en forme de cellules photovoltaïques à bas coût (faible température de dépôt, possibilité de dépôts de grandes dimensions sur des substrats. Les rendements des meilleures cellules organiques sont de l’ordre de 12%. Des avancées récentes et spectaculaires sur des matériaux hybrides à base de pérovskites (organiques-inorganiques à base d’halogénures de plomb ou d’étain) ont permis d’atteindre des rendements record de l’ordre de 20% sur des échantillons de surface inférieure au cm2. Les problèmes de stabilité dans le temps, de résistance à l’environnement et d’homogénéité sur de grandes surfaces sont encore à étudier.

Par ailleurs, des activités de modélisation et de caractérisation, ainsi que le développement de procédés technologiques adaptés (ex : nanostructuration de surface pour confiner la lumière dans les couches minces) contribuent à l’avancée des performances de ces cellules. Pour en savoir plus sur ce sujet, Daniel Lincot, directeur de recherche au CNRS, expose dans son article « La conversion photovoltaïque de l’énergie solaire » un aperçu du fonctionnement de la cellule photovoltaïque, des différentes technologies utilisées, ainsi que de l’évolution de la recherche et les perspectives de développement attendues.

Conférences et publication des travaux

Chaque année, de nombreuses conférences ont lieu dans le monde sur le sujet du photovoltaïque, dont certaines ciblées sur la recherche fondamentale et appliquée.

La principale conférence en Europe est :

D’autres conférences, plus spécialisées, ont également lieu, comme

En France, se tiennent annuellement les Journées Nationales du Photovoltaïque (JNPV), organisées par la Fédération de recherche du PhotoVoltaïque (FedPV) du CNRS.

Plusieurs magazines et sites web spécialisés dans le photovoltaïque proposent un calendrier d’événements permettant d’identifier d’autres conférences et lieux d’échanges sur la recherche.

Liens utiles

Liens internes :


Publications :


Liens externes :

Dernière mise à jour : 8 janvier 2016
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