Solaire photovoltaïque
Purification et cristallisation du silicium
A l'heure actuelle, des efforts très importants de recherche et développement sont mobilisés pour réduire les coûts de production du silicium photovoltaïque multicristallin.
Cela se traduit en termes de recherche par de nouveaux procédés de purification du matériau en lui-même et de nouveaux procédés de cristallisation en lingots ou en lames minces visant à réduire le coût et la quantité de matière utilisée.
La production de silicium solaire étant onéreuse, la réduction des coûts de fabrication des cellules photovoltaïques à base de silicium est en effet une des premières priorités.
Pour ce faire, la recherche œuvre sur deux champs d'action interdépendants : d'une part, la diminution du coût des procédés de fabrication et d'autre part, l'augmentation du rendement de conversion des cellules.
Cellules silicium
La plate-forme Restaure de l'INES optimise les procédés de fabrication des cellules photovoltaïques afin d'améliorer le rendement de conversion des cellules en silicium cristallin. Elle entend répondre à une attente des entreprises en faveur de nouvelles approches technologiques et d'une électricité photovoltaïque compétitive.
A l'heure actuelle en Europe, une plate-forme de ce type existe en Allemagne au Laboratoire FhG-ISE de Freiburg (1200 m² de salle non classée, 13 M€ d'investissement en équipements). De plus, les laboratoires ECN en Hollande et IMEC en Belgique possèdent des plates-formes technologiques de plus petite taille.
Restaure est composée d'une salle blanche de 1 000 m² et de multiples procédés (four de diffusion, dépôt CVD assisté par plasma, banc de réponse spectral, sérigraphie,...) destinés au traitement des plaques de formes et de dimensions très variées.
Elle s'intéresse à trois nouveaux domaines : les cellules en silicium métallique, le procédé de jonction à partir de siliciums amorphes sur une structure de silicium plaquette, ainsi que les siliciums nanostructurés. Pour chacun de ces substrats, des gains sont recherchés à toutes les étapes : purification, fabrication des lingots, découpe des plaquettes...
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Cellules organiques et innovantes
Les cellules photovoltaïques utilisent des matériaux standards et souvent une seule jonction dans ces matériaux. Avec une jonction simple on sait qu’on ne pourra pas dépasser 31% de rendement qui est une limite physique. Pour aller au-delà il est nécessaire d’explorer de nouveaux concepts.
L'introduction de nanomatériaux dans la filière photovoltaïque permettrait de dépasser un certain nombre de limites. Leur taille mésoscopique leur confère des propriétés physiques particulières variant avec la taille, ce qui permet toute une gamme d’ingénierie des propriétés optiques et électriques. L’INES développe donc un programme ambitieux de recherche autour de ces nouveaux concepts.
Le développement d'une technologie sur substrat souple (polymères), compatible avec les procédés d'impression permettrait de produire des cellules moins onéreuses et moins fragiles. Ainsi, les chercheurs travaillent à l'élaboration de cellules photovoltaïques organiques par voie humide sur substrats de verre et plastiques.
Modules photovoltaïques
La recherche dans le domaine des modules photovoltaïques à l’INES se focalise sur trois axes :
- La diminution du coût d’assemblage des modules par unité de puissance (€/Wc), qui est le paramètre prépondérant,
- L’augmentation du rendement surfacique ou pondéral (Wc/m², Wc/kg),
- Une durée de vie maximum.
Comme pour de nombreuses autres recherches menées à l’INES, des contrats de partenariat sont passés avec les industriels concernés. Ainsi, à titre d’exemple, l’INES soutient actuellement le développement industriel d'une technologie très innovante permettant de diminuer drastiquement le coût de fabrication tout en facilitant considérablement le recyclage.
Stockage
Dans les systèmes de production d'électricité à partir d'énergies intermittentes, en particulier les systèmes photovoltaïques, il est indispensable de pouvoir stocker l'énergie pour ajuster la production à la consommation.
Ceci est particulièrement vrai pour les systèmes autonomes (non connectés à un réseau électrique). Mais dans le cas où le réseau électrique est présent, l'utilisation d'un moyen de stockage permet de lisser les productions intermittentes et d'injecter l'énergie pendant les périodes les plus pertinentes.
Différentes technologies de stockage peuvent être utilisées, essentiellement sous forme chimique par l'intermédiaire de batteries (Pb, NiCd, NiMH, Li-ion, NaS...).
La plate-forme expérimentale STORE permet de caractériser les performances et le vieillissement de différentes technologies de stockage d'électricité, principalement électrochimiques.
Il s'agit de la plus grande installation en Europe pour l'étude du stockage des énergies renouvelables et la génération électrique distribuée. Les équipements de STORE peuvent aussi être utilisés dans le cadre d'autres applications du stockage, par exemple pour les véhicules électriques.
Les essais réalisés permettent de caractériser l'élément de stockage comme toute autre ressource énergétique en termes par exemple de rendement, d'énergie et de puissance disponible dans l'immédiat et sur la durée de vie. Une analyse technico-économique est alors possible, en chiffrant par exemple le service rendu en €/kWh fourni.
Systèmes photovoltaïques
Depuis ces dernières années, la tendance s'est fortement inversée en ce qui concerne le marché du photolvoltaïque (PV). La part des systèmes PV connectés au réseau est beaucoup plus importante que celle des systèmes autonomes. Le raccordement au réseau est donc récent et possède des marges d'évolution technique et fonctionnelle très fortes.
Le principal objectif est d'améliorer constamment le ratio kWh produit par kWc installé afin de maximiser la production énergétique du système photovoltaïque. Les améliorations concernent :
- l'architecture électrique de l'ensemble,
- l'électronique de puissance,
- la détection et la localisation des défauts,
- et l'ajout de services systèmes.
Un verrou transverse concerne la gestion optimale de l'ensemble.
Le L2S possède une expertise sur chaque composant du système (module, électronique de puissance, connectique, réseau, supervision). Les composants sont caractérisés individuellement et globalement puis modélisés. L'accent est mis sur une expertise de l'ensemble, partant du postulat que l'association de composants indépendamment optimaux ne crée pas un optimal global. Les systèmes connectés au réseau restent "archaïques " en terme d'intelligence embarquée. Une forte activité est centrée sur l'ajout de nouvelles fonctions permettant par exemple :
- d'accroitre la sécurité coté continu,
- de rendre l'architecture dynamique pour limiter les effets d'ombrage,
- d'accroître l'observabilité pour une meilleure maintenance et une meilleure prédiction,
- d'accroître les possibilités d'intégration dans le bâtiment.
Un autre point concerne l'ajout d'un élément de stockage pour avoir un degré de liberté supplémentaire, et donc la possibilité de créer des services systèmes pour le gestionnaire de réseau. Le L2S développe de nouvelles lois de gestion mais aussi mesure l'impact sur le plan de tension par des simulations de type "load flow".
Téléchargement :
Logiciel JPELEC, dédié à la simulation des réseaux électriques en régime permanent.
