Soutenance mémoire
Histoire du photovoltaïque
Je présente ici un très bref historique du PV en indiquant seulement les grandes lignes. Pour plus de détails, le lecteur curieux pourra, par exemple, se référer au livre de John Perlin From Space to Earth publié en 1999. [3] L’effet photovoltaïque a été découvert par Edmond Becquerel avec un actinomètre électrochimique. Il a présenté son rapport, intitulé Mémoire sur les effets électriques produits sous l’influence des rayons solaires lors de la séance du 4 novembre 1839 de l’Académie des Sciences. [4] Nelson, en 2003, dans [5], nous livre quelques informations sur l’histoire du PV, que je résume ici :
En 1876, William Adams et Richard Day effectuent la première démonstration de l’effet photovoltaïque dans un système solide, qui était à base de sélénium. Puis en 1894, Charles Fritts fabrique la première cellule. Le XIXe siècle a donc été le moment des découvertes scientifiques fondatrices, mais il faut ensuite attendre les années 1950 pour qu’une quantité utile d’énergie soit produite par conversion PV. Cela est rendu possible par le développement de silicium cristallin de bonne qualité pour l’industrie électronique et par la maîtrise de la fabrication des jonctions PN de silicium. En 1954, le record ainsi établi est un rendement de conversion de 6%. Cependant, les prix encore élevés empêchent un déploiement de masse. Les panneaux PV vont alors trouver une application de niche, l’alimentation des satellites, dans le cadre de la guerre froide et de la course à l’espace. Les Etats Unis sont les premiers à en utiliser en 1958 sur le satellite Vanguard, avec six cellules de silicium produisant un total d’un watt et qui a alimenté le transmetteur pendant six ans. [6] Le PV a aussi été utilisé sur quelques produits grands publics, comme des montres ou des calculatrices. D’autres matériaux prometteurs sont alors apparus, comme le tellurure de cadmium (CdTe) ou les matériaux III-V, mais l’industrie du silicium étant déjà déployée, ce dernier reste le matériau le plus utilisé dans les systèmes PV.
La crise énergétique de 1973 a suscité un intérêt pour de nouveaux moyens de production d’énergie, dont le PV. Dans les années et décennies suivantes, l’amélioration des performances, en termes de coût de production de l’énergie électrique par rapport aux autres sources, a ouvert de nouveaux marchés : approvisionnement des sites isolés, bouées en mer pour la navigation, relais de télécommunication, puis l’approvisionnement des zones rurales et jusqu’à le retrouver partout aujourd’hui. Cette tendance va de pair avec la sensibilisation croissante de la nécessité de sortir des énergies fossiles. [5] Pour illustrer l’intérêt croissant de la recherche pour le PV, Cette période correspondant également à une augmentation du nombre de publications scientifiques référencées dans cette base de données, il faut relativiser ces résultats. En proportion du nombre de publications par année référencées, on constate encore une augmentation, avec une proportion multipliée par environ 4 entre 1946 et 1987.
Une autre application du PV, liée à l’espace, est la transmission d’énergie sans fil depuis l’espace vers la Terre pour alimenter le réseau électrique, avec le projet Solar Powered Satellite, qu’on peut traduire en français par centrale solaire spatiale. Les principales agences spatiales (NASA, ESA, JAXA) ont travaillé ou travaillent sur un tel projet, mais aucun démonstrateur n’a encore été lancé. La transmission d’énergie peut se faire par ondes radiofréquences ou par laser. On note donc potentiellement deux utilisations du PV, la première dans l’espace et la seconde au sol pour convertir l’énergie du laser en énergie électrique. [7] Ce bref résumé historique montre clairement que l’histoire du PV n’est pas linéaire, mais est marquée par une succession d’opportunités. Elle ne peut être comprise qu’en lien avec l’histoire des autres énergies, les contextes socio-politiques (de la guerre froide aux mouvements écologistes, en passant par les politiques publiques), le développement des autres techniques qui ont justifié son utilisation, … au-delà de l’histoire des sciences et des techniques.
La compétitivité
Une politique proactive
Il y a vingt ans, le rapport de l’OPECST se posait la question suivante : « D’un usage immémorial mais réactualisées par la technologie moderne, les énergies renouvelables peuvent-elles contribuer d’une manière notable à l’approvisionnement en énergie ou au contraire ne peuvent-elles être qu’une ressource d’appoint ? » Le PV était alors classé comme « filière en devenir » et « compétitif sur certaines niches » (spatial, sites isolés, …). Mais les rapporteurs prédisaient que les ENR (énergies renouvelables) ne seraient pas capables de garantir un approvisionnement en énergie suffisant, et que le PV n’apporterait pas une contribution significative au mix énergétique dans les pays développés. Le soutien au PV était alors justifié d’un point de vue économique, pour l’exportation.
Aujourd’hui, la vision a bien changé. En 2014, l’IAE voit le PV comme une des technologies émergentes les plus prometteuses [1], et en 2016 comme une technologie mature et rentable.[15] La SNTEDD entend développer les ENR, pour être moins dépendant de ressources non renouvelables, et se fixe comme indicateur, la « part de l’électricité d’origine renouvelable dans la consommation d’électricité nationale ». [2] Les engagements en faveur du développement des ENR et du PV ont permis de réaliser les progrès suivants : en France, la part des ENR est passée de 9,2 % en 2005 à 14,2 % en 2013 [2], et au niveau de l’UE (Union Européenne) de 9,7 % en 2007 à 16,4 % en 2015. Le PV représentait en 2016 à l’échelle de l’UE 4 % de la production d’électricité, avec une capacité installée de 100 GW.[14] A l’échelle mondiale, il y avait en 2013 17 pays avec plus d’un GW de PV installé, et 23 qui avaient installé plus de 100MW durant l’année. La Chine et les Etats-Unis avaient la particularité de posséder la quasi-totalité de la vingtaine d’installations d’une puissance supérieure à 100 MW. [1] En 2017-2018, au niveau mondial, on a atteint les 100 GW de PV installés par an [6], et 135 GW en 2020.
En 2019, l’IAE note que les petites installations photovoltaïques (distributed PV en anglais) sont davantage le fait d’entreprises que de particuliers, et que c’est l’Europe qui compte le plus de d’installations de ce type. [6] L’IAE souligne l’importance de la politique dans le développement du PV, notamment pour la confiance des investisseurs, afin de garder un coût du capital bas, et pour lancer de nouveaux projets rapidement. [1] Par ailleurs, il ne faut plus regarder seulement le coût direct mais plutôt l’ensemble de la valeur apportée au système électrique, lorsqu’il faut choisir entre plusieurs projets. Cela implique de prendre en compte aussi les aspects négatifs pour le système, comme l’ajout de moyens de stockage et/ou le maintien de centrales conventionnelles pour garantir l’approvisionnement en énergie malgré les fluctuations des ENR.
Les aides de l’Etat
L’industrie photovoltaïque a bénéficié d’aides de l’Etat, avec notamment l’obligation d’achat par EDF de l’électricité ainsi produite à des prix garantis supérieurs au prix de marché. [17] L’OPECST vante ces aides publiques, et en demandait plus pour soutenir le développement de ce secteur. Et l’Etat prévoit de continuer à financer dans la durée des aides publiques pour les investissements liés à la transition énergétique. [2][11] L’IAE, au niveau mondial, préconise également les subventions étatiques.
|
Table des matières
1 Introduction
1.1 Introduction
1.2 Histoire du photovoltaïque
1.3 Contexte institutionnel
1.3.1 La recherche
1.3.2 La compétitivité
1.3.3 Projections
1.4 Contexte technico-économique
1.4.1 L’économie du photovoltaïque
1.4.2 Photovoltaïque et écologie
1.4.3 Photovoltaïque et réseau électrique
1.4.4 Les technologies du photovoltaïque
1.4.5 Du matériau au panneau
1.5 Notions essentielles de physique des semi-conducteurs
1.5.1 Paramètres électriques de haut niveau
1.5.2 La conversion photovoltaïque
1.6 Conclusion
2 Méthodes de caractérisation par photoluminescence
2.1 La photoluminescence spectrale
2.1.1 Modèle théorique
2.1.2 Impact de la réabsorption
2.1.3 Impact du dopage
2.1.4 Étude en température
2.2 La photoluminescence à deux photons
2.2.1 Modélisation
2.2.2 Limites
2.3 La photoluminescence résolue en temps (TRPL)
2.3.1 Analyse théorique
2.3.2 TRPL en forte injection
2.3.3 Présence d’un piège à porteurs minoritaires
2.3.4 Impact des inhomogénéités spatiales
2.3.5 Impact des recombinaisons surfaciques
2.3.6 Impact d’une jonction PN
2.3.7 Lien avec d’autres techniques
2.4 La photoluminescence modulée (MPL)
2.4.1 Montage expérimental
2.4.2 Applications
2.4.3 Étude en température
2.4.4 Étude en fonction du niveau d’injection
2.4.5 Modélisation
2.4.6 Détection hétérodyne
2.4.7 Lien avec la TRPL
2.5 Conclusion
3 Modélisation
3.1 Introduction
3.2 Développement d’un modèle analytique
3.2.1 Introduction
3.2.2 Déphasage de la photoluminescence
3.2.3 Approximation dans le régime de faible injection
3.2.4 Prise en compte des recombinaisons surfaciques
3.2.5 Étude du modèle en dehors du régime de faible injection
3.2.6 Étude de la première harmonique
3.2.7 Étude de la présence simultanée de plusieurs défauts
3.2.8 Prise en compte des recombinaisons Auger
3.2.9 Limites du modèle
3.3 Modélisation par éléments finis
3.3.1 Modélisation de l’échantillon
3.3.2 Modélisation du matériau
3.3.3 Modélisation des défauts volumiques
3.3.4 Modélisation des défauts de surface
3.3.5 Modélisation de l’expérience
3.4 Conclusion
4 Résultats
4.1 Validation du modèle analytique à faible injection
4.2 Simulations avec un taux de photogénération non uniforme
4.3 Prise en compte des recombinaisons surfaciques
4.3.1 En considérant une vitesse surfacique de recombinaison
4.3.2 Avec un modèle plus précis de recombinaisons surfaciques
4.3.3 Impact de la valeur du coefficient d’absorption
4.4 Étude à plus forte injection
4.4.1 Cas d’un piège à porteurs minoritaires
4.4.2 Cas d’un centre recombinant
4.4.3 Cas d’un piège à porteurs majoritaires
4.4.4 Prise en compte des recombinaisons Auger
4.5 Étude de la première harmonique
4.6 Étude en température
4.7 Étude de l’impact du phénomène de réabsorption
4.8 Simulations avec deux défauts
4.8.1 Cas d’un piège et d’un centre recombinant
4.8.2 Cas de deux pièges à porteurs minoritaires
4.8.3 Comparaison avec le cas d’un échantillon non homogène
4.9 Analyse de résultats expérimentaux
4.10 Conclusion
5 Conclusion
Annexes
