L’énergie solaire photovoltaïque

Cet article se plonge dans l’histoire du photovoltaïque en remontant à ses racines, communes avec l’électronique moderne. Il retrace ses évolutions technologiques dans leur contexte et les acteurs de l’époque, avec un focus sur les cellules silicium et la diversification progressive des filières jusqu’au foisonnement actuel avec les cellules tandems et pérovskite. Il montre son lien étroit avec les grands défis sociétaux (énergétiques puis climatiques) et sa place particulière dans le débat public et politique.

Ce chapitre explique les principes de la conversion photovoltaïque, depuis la transformation de la lumière en électricité via les semi-conducteurs jusqu’aux limites thermodynamiques et au modèle de Shockley-Queisser. Il aborde les mécanismes clés de la conversion (absorption, génération de paires électron-trou, transport) et les facteurs limitants (recombinaisons, résistances, architecture des cellules), essentiels pour analyser et optimiser les performances des cellules solaires.

Ce chapitre explore la filière photovoltaïque basée sur le silicium cristallin, qui domine le marché avec plus de 90 % des cellules solaires produites. Il aborde les différentes formes de silicium (monocristallin, multicristallin, polycristallin et amorphe), leurs propriétés et leurs applications. La chaîne de valeur industrielle est présentée, depuis l’extraction et la purification du silicium (procédé Siemens) jusqu’à la cristallisation (méthodes Czochralski et Bridgman), la découpe des lingots en plaquettes, et la fabrication des cellules solaires. Les technologies clés comme les cellules Al-BSF, PERC, IBC et à hétérojonction sont détaillées, mettant en lumière leurs avantages en termes de rendement et d’efficacité. Le chapitre traite également de l’assemblage des modules photovoltaïques, incluant l’encapsulation, les innovations comme les modules bifaciaux, et les pertes optiques et électriques. Enfin, il discute des facteurs limitant le rendement (recombinaisons, pertes résistives) et des perspectives d’amélioration, comme la passivation des surfaces et les architectures tandem.

Ce chapitre traite des cellules solaires en couches minces à base de matériaux chalcogénures à structure chalcopyrite, de la famille des composés (Ag,Cu)(In,Ga)(Se,S)2. Ces dispositifs photovoltaïques consistent en un empilement de quatre couches minces, à savoir un contact électrique arrière/un semi-conducteur photoactif de type p/une couche tampon de type n/une fenêtre optique de type n+, déposé sur un substrat assurant la tenue mécanique de la structure. Les performances atteintes par ces cellules solaires sont supérieures à 23% en laboratoire. Le chapitre décrit en premier lieu le principe de fonctionnement de ces cellules solaires et les matériaux les constituant. Ensuite, l’accent est mis sur les différences qui existent entre les composés séléniures et sulfures, ces derniers ayant des propriétés optiques intéressantes pour des applications comme cellule haute dans les structures tandem. Enfin, des travaux concernant l’utilisation de substrats flexibles et légers, ainsi que les efforts consentis pour minimiser la consommation de matière première sont présentés.

Ce chapitre présente les cellules solaires à colorant (DSSC), une technologie photovoltaïque émergente inspirée de la photosynthèse. Il détaille leur principe de fonctionnement, les progrès dans les matériaux (colorants, électrolytes, oxydes semiconducteurs), leurs applications (intégration architecturale, électronique nomade) et les perspectives d’amélioration, notamment pour l’Internet des Objets (IoT).

Depuis 1995, la technologie photovoltaïque reposant sur des couches minces photo-actives organiques a connu un essor remarquable. Les cellules solaires organiques peuvent être élaborées sur de grandes surfaces, à température ambiante, en utilisant des outils classiques de l’impression. Le rendement des cellules organiques a progressé régulièrement pour atteindre en 2025 environ 20% en laboratoire avec une stabilité estimée proche des 30 ans.

Ce chapitre présente les pérovskites hybrides halogénées, des semi-conducteurs innovants pour le photovoltaïque. Il détaille leurs propriétés optoélectroniques, les méthodes de fabrication (chimie douce, impression), les stratégies d’optimisation (morphologie, passivation), et les défis de stabilité (humidité, lumière). Les perspectives incluent les cellules tandem et les applications industrielles.

Ce chapitre explore les matériaux absorbeurs émergents pour le photovoltaïque en couches minces, comme les clathrates de silicium, ZnSnN₂, oxydes (Cu₂O, Bi₂FeCrO₆), sulfures (Sb₂Se₃, SnS), et iodures (BiI₃, BiOI). Il aborde leurs propriétés optoélectroniques, méthodes de synthèse, défis technologiques, et potentiels d'application, tout en soulignant les enjeux de stabilité, toxicité et abondance des éléments.

Les dispositifs photovoltaïques (PV) multi-jonctions dépassent les limites des cellules à simple jonction pour atteindre de hauts rendements. Ce chapitre présente leurs principes de fonctionnement, puis détaille les cellules tandem (deux sous-cellules) : enjeux technologiques, architectures, cellules tandem Si/pérovskite, perspectives pour les tandems tout couches minces et méthodes avancées de caractérisation.

Ce chapitre explore les concepts avancés pour dépasser les limites de rendement des cellules photovoltaïques conventionnelles, comme les cellules à porteurs chauds, multi-excitons, up-conversion, et bandes intermédiaires. Il présente les stratégies théoriques, les défis technologiques, et l'importance de la résilience face aux imperfections des matériaux pour atteindre des rendements proches des limites thermodynamiques.