L’effet photovoltaïque, découvert à la fin du XIXe siècle par M. Becquerel, transforme la lumière en énergie électrique.
Deux technologies de capteurs photovoltaïques se partagent le marché : le silicium cristallin, qui représente plus de 90 % du marché mondial, et les cellules à couches minces. L’amélioration des performances des systèmes est permanente, grâce aux recherches menées dans plusieurs pays, notamment en France, qui dispose de trois centres de recherche.
Première technologie photovoltaïque : la filière silicium
Généralités
Plus de 90 % des capteurs vendus dans le monde sont principalement composés de silicium. Ce matériau semi-conducteur a l’avantage de pouvoir être produit à partir d’une ressource naturelle quasi inépuisable : le quartz, un composant des granites, des sables et des grès. Cette technologie est la plus ancienne et a toujours dominé le marché. Il faut dire qu’elle a de nombreux atouts, à commencer par sa robustesse, avec une durée de vie de 30 ans environ, et par ses performances avec des rendements dans les plus élevés du marché : de 12 à 20 %.
Le monocristallin
Un capteur photovoltaïque monocristallin est fabriqué à partir d’un bloc de silicium pur, formé d’un seul cristal. Ce procédé (35 % du marché) est coûteux, mais permet d’obtenir les cellules qui ont le meilleur rendement du marché : 18-20 %. D’un point de vue esthétique, les cellules qui constituent le panneau ont une couleur uniforme et ont la forme de petits carrés aux angles coupés.
Le polycristallin ou multicristallin
Un capteur photovoltaïque polycristallin est fabriqué à partir de chutes de silicium monocristallin. Sa fabrication est moins chère, mais son rendement, d’environ 14-15 %, est un peu moins bon que pour un capteur monocristallin. Ce sont les panneaux les moins chers du marché (dont ils représentent 56 %).
Le silicium amorphe
Technologie qui s’apparente à celle des écrans plats, le silicium amorphe est constitué d’une succession de couches de silicium dopées et non dopées. Avec cette technique, les rendements restent faibles (environ 7-8 %). La baisse des coûts de fabrication des cellules en silicium cristallin a écarté ce type de capteurs du marché pour les cantonner aux calculatrices et autres niches de production.
Les autres techniques photovoltaïques
Les couches minces
Les cellules photovoltaïques à couches minces (9 % du marché) sont aussi produites à partir de silicium, mais en couches extrêmement fines (quelques microns). Elles ont le grand avantage de pouvoir être utilisées sur un support souple, et donc de pouvoir épouser des formes diverses. Cette filière est relativement bon marché, mais son coût a moins baissé ces derniers temps que les filières silicium. Les rendements sont dans les plus faibles du marché, autour de 8 à 10 %.
Les couches minces regroupent principalement deux familles : le tellure de cadmium (CdTe) et un alliage de cuivre, indium et sélénium (CIS), auquel s‘ajoute parfois du gallium (CIGS).
Filières en cours de développement
Diverses filières, encore au stade de la recherche, commencent à faire parler d’elles.
- On peut citer la filière organique, qui donne des bonnes perspectives de production à bas coût, mais dont les rendements sont encore trop faibles (de 3 à 5 %) et dont la durée de vie est encore trop limitée (environ 1 000 h).
- Les familles des capteurs « hybrides » ou « à concentration » ou encore « multi-jonction » semblent toutes les trois prometteuses pour obtenir des rendements optimisés.
Coût et rentabilité économique des technologies photovoltaïques
Le marché du photovoltaïque est en pleine croissance depuis de nombreuses années, notamment grâce à la compétitivité de la technologie qui permet dans certains pays de produire du courant moins cher que le tarif facturé au consommateur, comme en Allemagne, en Italie ou encore en Californie.
La baisse des coûts des centrales d’électricité solaire est principalement due à la chute des prix de fabrication des capteurs, en particulier ceux de la filière silicium. Le coût d’un capteur se situe ainsi autour de 0,56 € par watt de capacité installée (watt-crête), alors qu’il fallait compter environ 24 € par watt dans les années 1980. Ainsi, aujourd’hui, le coût des panneaux eux-mêmes ne représente que 25 à 40 % du coût total de l’installation.
Exemple de coût pour une installation de 9 kWc intégrée en toiture avec du matériel franco-allemand, d’un coût total de 17 900 € HT. La répartition est la suivante : modules photovoltaïques monocristallins : 5 100 € HT, soit 28 % du prix total ; onduleur et matériel électrique : 3 300 € HT, soit 18 % du total ; structure d’intégration toiture et étanchéité : 3 500 € HT, soit 20 % du total ; main d’œuvre, transport et marges : 6 000 € HT, soit 34 % du total.