Mémoire - univ-usto.dz

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEURE ET DE LA

RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE DES SCIENCES ET DE LA TECHNOLOGIE

FACULTE DE GENIE ELECTRIQUE

Département d’électronique

MémoirePour obtenir le grade de

Magister de l’université de l’USTO

Discipline : Electronique

Option : Systèmes de communication modernes

Présenté et soutenu par

Ketfi Mohammed el Amin

Titre

Etude et adaptation des cellules biologiques photosensibles à des microsystèmes optoélectroniques

Soutenu le : 17 / 05 / 2011

Devant le jury composé de :

A. Belghoraf Professeur (USTO) Président

A. Boudghene Stambouli Professeur (USTO) Rapporteur

N. Mekkakia Maaza M. Conférence (USTO) Examinateur

M. Bekhti D. de recherche (CNTS) Examinateur

Année Universitaire 2010-2011

REMERCIEMENTS

J'aimerais remercier les personnes qui m'ont soutenu et accompagné tout au

long de ce parcours.

Je remercie tout particulièrement Mr. A. Belgoraf pour avoir accepté de

présider mon jury de thèse ainsi que Mr. N. Mekkakia Maaza et Mr. M. Bekhti pour

leur patience et leur contribution importante en tant que rapporteurs de ce travail.

Je tiens également à remercier très chaleureusement mon encadreur Amin

Boudghene Stambouli à son confiance et sa grande disponibilité. Ses qualités

humaines et scientifiques me a permis d'aborder des voies peu explorées mais très

motivantes.

Un grand remercie donc, pour le soutien quotidien de l'ensemble de ses membres.

Merci enfin, à ma famille, aux proches et à mes amis de proche et de loin.

DEDICACE

Je dédie ce mémoire

À mes parents

À mes frères et ma sœur

À ma grande mère

À toutes la famille

À tous mes amis.

Mohammed el amin KETFI

Glossaire

Abréviations

R&D : Recherche et DevelopementPV : PhotovoltaïquePS : PhotosynthèseNREL : Laboratoire National d’énergie Renouvelable BV : bande de valenceRDM : Reste Du Monde (ROW : Rest Of World)DSSC : (Dye sensiblized Solar Cell) L’Oxyde des cellules solaires sensibiliséesLED : (Light Emmiting Diode) Diode électroluminescenteCIGS : le diSéléniure de Cuivre Indium GaliumCdTe : le Tellurure de Cadmium GaAs : Les cellules à base d’arséniure de galliumPPV : Poly (p-phénylèneVinylène) CSO : Cellule Solaire OrganiqueOPV : Cellule Photovoltaïque OrganiqueBOS : Basic Operating SystemAIE : Agence Internationale de l'Énergie

DRE : Direction Régionale de l'EquipementOLED : Diode ElectroLuminescenteOrganiqueIA : Intelligence Artificielle ATP : Adénosine TriPhosphateADN : Acide DésoxyriboNucléique

C60 : buckminster fullérène [60]TiO2 : Dioxyde de TitaneHOMO : Plus haute orbitale moléculaireoccupée (Highest Occupied MolecularOrbital)LUMO : Plus basse orbitale moléculaireinoccupée (Lowest Unoccupied Molecular Orbital)e – h : électron – trouJcc : densité de courant en court-circuitSC : semiconducteurVco : tension de circuit ouvertD – A : donneur – accepteur (d’électrons)ITO : indium tin oxyde

Table des matières

I- Introduction Générale 6 II- Chapitre 1 : Une vision pour le photovoltaïque

1- Introduction 9

2- PV dans le contexte des sources d'énergie renouvelables 10

3- Pourquoi le photovoltaïque (PV) ? 12

4- La situation mondiale pour le PV 134-1 La situation dans les états membres de l’EU 134-2 La situation au Etats-Unis 154-3 La situation au Japon 164-4 La situation en Chine 164-5 La situation au autres pays 174-6 Comparaison entre le Japon, Etats-Unis et en Europe 17

5- L’industrie photovoltaïque 19

6- Etat d'avancement technologique et le potentiel technologique de PV 21

7- Les technologies du PV 267-1 Technologies évolutive 267-2 Technologies de concentrateur photovoltaïque 277-3 Les technologies émergentes et nouvelles 27

8- Une vision pour le photovoltaïque 298-1 Le développement technologique 298-2 Aspect socio-économique 318-3 Le rôle de la PV dans l'image de l'énergie 2030 32

9- Comment arriver à la vision ? 34

10- Conclusion 38

III- Chapitre 2 : La technologie photovoltaïque1- Introduction 39

2- Généralités sur l’énergie solaire 412-1 L’énergie solaire 412-2 Terminologie « photovoltaïque » - Les dates importantes 42

3- La théorie de la conversion photovoltaïque 433-1 La cellule photovoltaïque 43

3-2 L’effet photovoltaïque 433-3 Systèmes et applications 44

3-3.1 Systèmes raccordés au réseau 443-3.2 Les systèmes autonomes 453-3.3 Applications 46

4- Les matériaux de la conversion photovoltaïque 484-1 La première génération « Silicium Cristallin » 49

4-1-1 Le silicium : usage, avantages et inconvénients 494-1-2 Le silicium monocristallin 524-1-3 Le silicium polycristallin 52

4-2 La deuxième génération « couches minces » 534-2-1 Les couches minces de silicium 544-2-2 Le tellurure de cadmium (CdTe) 554-2-3 Le di-séléniure de cuivre-indium(CIS) 564-2-4 Les cellules à base d’arséniure de gallium (GaAs) 57

4-3 La troisième génération « polymères et concentrateurs » 584-3.1 Cellules photovoltaïques organiques 58

Les cellules de type Schottky 59 Les cellules hétérojonctions de type bicouche 60 Cellule Grätzel 61 Les cellules de type réseaux interpénétrés 61

5- Processus physiques de la conversion photovoltaïque dans les cellules solaires organiques 63

6- La technologie actuelle de PV 646-1 Cellules solaires organiques : les avancées de la recherche 646-2 La voie des cellules organiques 65

7- Préparer l’avenir 667-1 Des difficultés à surmonter 66

8- Conclusion 67

IV- Chapitre 3 : Le modèle des plantes et le biomimétisme1- Introduction 68

2- Définition du biomimétisme 692-1 Est-il l’avenir du développement durable ? 712-2 Qu’entend-on par biomimétisme ? 71

3- Le biomimétisme comme méthode innovante 72

4- Les types de problèmes que l’on peut résoudre par biomimétisme 72

5- Le biomimétisme : allé plus loin que les apparences, imiter les principes 735-1 La nature fonctionne à l’énergie solaire 745-2 La nature utilise seulement l’énergie dont elle a besoin 745-3 La nature adopte la forme à la fonction 745-4 La nature recycle tout 745-5 La nature récompense la coopération 755-6 La nature capitalise sur la diversité 755-7 La nature recherche l’expertise locale 755-8 La nature ne fait pas d’excès 765-9 La nature puise sa créativité dans les limites qui lui sont imposées 76

6- La viabilité du biomimétisme 766-1 Le succès des applications biomimétiques… 766-2 … Mais un sucée conditionné 78

7- Des innovations biomimétiques 797-1 Les Etats-Unis prennent la vipère comme modèle pour leur défense797-2 Le plongeon du martin-pêcheur et l’entrée d’un train à grande vitesse

dans les tunnels 807-3 La structure anti-tremblement de terre des nids d'abeille 817-4 La robotique imite les serpents pour résoudre les problèmes

d'équilibre 827-5 Une solution informatique grâce aux papillons 83

8- Le modèle des plantes et le biomimétisme 848-1 Quel lien existe-t-il entre le transfert d'électron et la photosynthèse

dans les plantes vertes ? 86

9- Conclusion 88

V- Chapitre 4 : Les cellules solaires bio-inspirées1- Introduction 89

2- Analogie avec la photosynthèse 90

3- Photopiles à colorant 923-1 Historique 923-2 Définition et développement de la recherche 923-3 Principe de fonctionnement 943-4 Avantages et Inconvénients 94

4- Caractérisation optimale des cellules solaires à colorant 954-1 Choix des matériaux 95

4-1-1 Choix du semi-conducteur 954-1-2 Choix du colorant 95

4-1-3 Choix de l’électrolyte 974-2 Comment fabrique-t-on une cellule à colorant 98

4-2-1 Dépôt du semi-conducteur (TiO2) 984-2-2 Frittage à haute température 984-2-3 Absorption du sensibilisateur 984-2-4 Dépôt de l’électrolyte 984-2-5 Assemblage de la contre électrode de platine 98

5- Spécification esthétiques 995-1 Caractéristiques 995-2 Conception des cellules 1005-3 Motifs et couleurs 100

6- Commercialisation de la première cellule solaire à colorant 102

7- Applications actuelles et futures 102 Applications actuelles 102

8- Perspectives 103

9- Conclusion 104 Applications futures 105

VI- Conclusion Générale 106

VII- Bibliographie 108

IntroductionGénérale

Introduction Générale

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INTRODUCTION GENERALE

L'énergie solaire est la source d'énergie primordiale sur Terre. Sa transformation fournit l'énergie chimique assurant le développement de la très grande majorité des êtres vivants. Les énergies fossiles pétrole, gaz et charbon n'en sont ainsi que des produits dérivés. La récupération, la transformation et le stockage de l'énergie solaire de manière efficace présente un défi de taille mais serait la réponse idéale aux besoins énergétiques actuels. Les systèmes photovoltaïques permettent de récupérer cette énergie et de la transformer en électricité.

La Terre reçoit plus d'énergie solaire en une heure que toute la planète consomme actuellement en un an. Malheureusement, malgré cet énorme potentiel, l'énergie solaire est à peine exploitée. L'électricité produite par des cellules solaires classiques, composés de matériaux semi-conducteurs comme le silicium, est de 5 ou 6 fois plus cher que les sources d'énergie traditionnelles, comme les combustibles fossiles ou l'hydroélectricité. Au fil des années, de nombreuses équipes de recherche ont tenté de développer des nouveaux matériaux et de systèmes photovoltaïques qui pourraient potentiellement conduire la réalisation efficace et du faible coût des cellules solaires à l'avenir.

Ces matériaux comprennent par exemple des types différents de matériaux organiques de synthèse et des nanoparticules inorganiques et les systèmes de nanoparticules. Dans le processus de la chimie est apparue comme une science nouvelle clé aux côtés de la physique dans le développement de nouveaux matériaux photovoltaïques.

L'une des cellules les plus prometteuses solaire a été conçue dans les années 90 par le professeur Michael Grätzel de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en Suisse. Basé sur le principe de la photosynthèse le processus biochimique par lequel les plantes transforment l'énergie lumineuse en glucides (sucre, leur nourriture), où l'énergie solaire est utilisée pour décomposer l'eau et produit des molécules de dioxygène, des protons et des électrons. Pour produire un courant électrique, il s'agit alors de récupérer les électrons produits par la réaction.

Au moment de cette cellule photo-électrochimique solaire unique basée sur une nanoparticule TiO2 photo-électrode sensibilisées par un colorant collecteurs de lumière métallo-organiques, est sur le point de la commercialisation offrant une alternative intéressante pour le silicium existantes basées cellules solaires, ainsi que pour la couche mince de cellules solaires. Dans le même temps la rechercheactivité ainsi que l'intérêt industriel autour de la technologie se développe rapidement.


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L’objectif de cette étude dans l'ordre d'importance était primitivement de procéder à un examen exhaustif de la littérature sur la nouvelle moléculaire des cellules solaires y compris la colorante nanostructure et les cellules solaires organiques, leurs principes de fonctionnement, les matériaux et méthodes de fabrication, ainsi que leurs états des techniques de développement.

Et dans la deuxième place de donner un accent sur la technologie des cellules solaires à colorant, car d'une part elle était connue comme la technologie la plus activement étudiée de la cellule solaire et la plus proche de la commercialisation et d'autre part elle émerge en imitant la structure des systèmesvivants.

Depuis le mémoir vise à être une étude technique sur le sujet, un processus rigoureux traitement théorique des sujets a été omis. Au lieu de cela une vue d'ensemble a été poursuivis concentrant sur les matériaux, les méthodes de préparation et de l'état des techniques des différents types de cellules solaires discutées. Cela se justifiait aussi parce que les images théorique du comportement de moléculaire des cellules solaires est encore en partie incomplète.

Cette étude est organisée en quatre chapitres, le premier donnant une vision pour le photovoltaïque y compris une discussion des possibilités de réduction des coûts des cellules solaires. Ainsi, il est consacré à la synthèse de l’état de l’art actuel du potentiel inexploité de l'énergie solaire.

Dans le début du chapitre 2, nous avons discuté d’une courte introduction aux principes de conversion de l'énergie photovoltaïque et de la disponibilité de l'électricité solaire. Il est suivi par un bilan des différentes filières technologiques photovoltaïques afin de mieux comprendre la situation actuelle, les avancées et les perspectives à venir.

Le chapitre 3 décrit les différentes innovations inspirées par la nature en imitant la structure des systèmes vivants dont cette approche dite « le Biomimétisme » et retracé également la manière d’inventer la feuille pour un meilleur capteur solaire.

Dans le dernier chapitre nous avons introduit une brève description du principe de fonctionnement de la cellule à colorant dans la première partie. La deuxième partie se concentre à la discussion de la physique fondamentale et chimiques processus de fonctionnement de la cellule. Une discussion qualitative sur les étapes fondamentales de la fabrication de la cellule qui a été résumé en cinq étapes. L'état de la technologie des cellules solaires à colorant, les activités industrielles et commerciales et l'estimation du coût des cellules est examiné dans la dernière partie.


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Ce mémoire a résumé dans la conclusion tous ce qui dépend de la cellule solaire à colorant organique et les cellules solaires et des suggestions pour des recherches plus poussées cette technologie vers un excellent avenir esthétique.

Le mémoire comprend 116 pages, 39 figures, 6 tableaux et 65 références.

Une vision pour le photovoltaïque

Chapitre 1


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1- Introduction

Disponibilité d'énergie propre, sûre et abordable à tous les citoyens en quantité suffisante est une condition préalable pour une société durable. En outre, l'approvisionnement énergétique mondial doit être durable en soi, ce qui signifie que l'utilisation des ressources fossiles limitées doit être progressivement remplacée par l'application de technologies d'énergie renouvelable et les émissions de gaz à effet de serre doivent être considérablement diminué. Pour assurer la sécurité et la durabilité de l’approvisionnement énergétique futur du monde nous avons besoin de sources d’énergie diversifiées et renouvelables.

La part croissante des énergies renouvelables est un élément nécessaire des politiques d'atténuation des gaz à effet de serre, avec une exigence forte pour améliorer l'efficacité énergétique. Changement de niveau de vie et les habitudes de ceux durable et d'assurer la protection de l'environnement sont maintenant reconnus comme principaux objectifs politiques.

Actuellement, près d'un tiers de la population mondiale n'a pas accès à l'énergie commerciale (en particulier, à un réseau électrique), ce qui entrave sérieusement le développement, est liée à la pauvreté et provoque une variété de problèmes de santé. En dépit du récent succès des énergies renouvelables dans certains domaines, l'énergie mondiale croissante la consommation provoque toujours une augmentation de la consommation de combustibles fossiles et les émissions de CO2. Cela souligne l'urgence d'élaborer et de mettre en œuvre les technologies d'énergie renouvelable qui peut être mis à la disposition de tous les habitants des zones urbaines et rurales et qui peut apporter une contribution substantielle à la demande croissante d'énergie.

Il est généralement admis que la conversion photovoltaïque de l'énergie solaire (PV) est une telle technologie. Les Modules PV peuvent faire partie d'un produit de consommation, montés sur les toits des maisons, intégrées dans un bâtiment de la peau ou assemblés dans de grandes centrales électriques. En raison de sa modularité, il est accepté comme moyen de répondre aux besoins d'énergie dans les collectivités isolées et dispersées. Il peut être conçu pour être très robustes et fiables tout en même temps, il est tranquille et sûr. Le PV s'intègre bien dans l'infrastructure existante et il offre la possibilité de prendre des décisions intelligentes matches entre l'offre et la demande d'électricité.

Le montant total de l’énergie solaire atteignant la surface de la terre représente plusieurs milliers de fois la consommation mondiale totale d’énergie, le potentiel technique de convertir directement l’énergie solaire en chaleur ou en


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électricité, y compris les PV, est grande : plus de 444 000 Twh/an soit environ quatre fois de la consommation totale d'énergie de la terre. [1]

Mise en œuvre à grande échelle de PV est un processus qui nécessite une approche à long terme. Par conséquent, la portée de ce rapport est 2030 et au-delà. Bien que la technologie PV fiables soit déjà disponible aujourd'hui, il doit encore se développer, en particulier pour réduire le coût de l'électricité produite. En outre, à supposer même élevé des chiffres de croissance du marché, il faudra une longue période de temps avant PV devient une source majeure d'énergie mondiale en termes absolus. Cela n'est pas dû à un manque de vitalité des PV, mais il souligne combien de temps il faut pour changer les modèles dans le secteur de l'énergie. D'un autre côté, cependant, les avantages économiques d'un secteur PV culture commerciale s'avèrent déjà une réalité et ont conduit à une concurrence mondiale forte.

La décennie à venir est considérée comme déterminante en termes de laquelle les pays ou régions mondial va dominer le secteur des futurs PV. Compte tenu de son excellente technologie et le marché la position de départ.

2- PV dans le contexte des sources d'énergie renouvelables

En 2001, la part des énergies renouvelables dans le monde a été de 13,5% de l'approvisionnement total en énergie primaire et 19% de la consommation totale d'électricité (voir tableau 1). [2] L'hydroélectricité représente la principale source renouvelable d'électricité qui couvre 16% de la demande d'électricité dans le monde. La contribution des autres sources renouvelables dépend de politiques énergétiques nationales et les conditions locales. Dans certains pays, certaines sources d'énergie renouvelables déjà contribuer de manière significative à l'approvisionnement énergétique, par exemple, l'énergie éolienne au Danemark et de l'énergie géothermique en Islande et aux Philippines. L'approvisionnement en augmentation rapide de l'énergie électrique provient d'une gamme de sources d'énergie renouvelables: technologies modernes de la biomasse, l'énergie éolienne, énergie solaire thermique et photovoltaïque. Certaines de ces sources d'énergie renouvelables peuvent contribuer à la consommation mondiale d'énergie également sous forme de chaleur ou d'énergie mécanique.

Le coût actuel de production d'électricité à partir de sources d'énergie renouvelables varient de 0,02 à 0,65 € / kWh, telles que résumées dans le (tableau 1). Les différentes coûts d’électricité pour chaque source d’énergie renouvelable


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sont fortement tributaires des conditions locales, sur le montant du vent ou du rayonnement solaire disponible, ou la température d’un champ géothermique comme exemple. Le coût de l'électricité PV de 0.25 à 0,65 €/kWh sont élevés par rapport au prix de gros actuel de l'électricité conventionnelle, 0,02 à 0,035 €/kWh. Même si les coûts supplémentaires pour couvrir la capture et la séquestration de CO2 de porter le prix de l'électricité conventionnelle pour un total de 0.04 à 0.055 €/kWh, il reste compétitif par rapport aux PV utilisé comme source de pouvoir central. Bien que les coûts d'électricité conventionnelles devraient augmenter de 0,05 à 0.06 €/kWh en 2020, il est nécessaire de réduire les coûts PV par au moins un facteur de 5 pour atteindre un déploiement complet.

Toutes les sources renouvelables ont des limites à leur utilisation, que ce soit l'emplacement, la disponibilité de conditions climatiques favorables, etc. Toutefois, les énergies renouvelables peuvent être efficacement combinées pour fournir un approvisionnement constant et fiable. PV source que l'électricité est une charge de pointe dans une large mesure compatible avec les sources de charge de base telle que l'énergie géothermique et marine et aussi avec des sources stockables comme la bio-énergie et de pompage hydro-stockage. Comme sources d'énergie conventionnelles, la diversité des sources d'énergie renouvelable est importante de veiller à la sécurité d'approvisionnement.

Production mondiale

d'électricité 2003 (Twh)

Mondiaux de l'énergie thermique technique

potentiel et de l'électricité (x 1000

Twh/an) [3]

Les coûts de production

d'électricité 2003 (€ cents/Kwh)

Hydroélectricité 2631 14 2 - 8Bio-énergie 175 >77 5 - 6

Energie éolienne 75 178 4 - 12Energie

géothermique50 1400 2 - 10

énergie marine 0.8 32 [8 - 15]*Energie solaire

thermique0.5 >440 12 - 18

PV 2.5 >440 25 - 65la production

totale d'électricité renouvelable

2969 >2100

La conssomation mondiale totale

Electricité ~ 16,700totale d'énergie primaire120,000

* Prix d’estimation

Tableau.1 La production d'électricité à partir de sources renouvelables, le potentiel technique des énergies renouvelables et les coûts de production d'électricité


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3- Pourquoi le PV ?

La technologie photovoltaïque permet la transformation de la lumière solaire directement en électricité. Les systèmes photovoltaïques peuvent fournir de l'énergie électrique à un appareil spécifique ou au réseau électrique. Il a le potentiel pour jouer un rôle important dans la transition vers un système durable d'approvisionnement énergétique du 21ème siècle et à couvrir une part significative des besoins en électricité de l'Europe et du monde. Le PV pourrait contribuer à la sécurité de l'approvisionnement énergétique futur, fournir des services énergétiques respectueuses de l'environnement et d'améliorer le bien-être économique et social. Parallèlement à d'autres technologies d'énergie renouvelable et l'efficacité énergétique, l'énergie photovoltaïque pourrait devenir une technologie clé pour l'avenir.

Une des principales caractéristiques des PV, et un avantage par rapport aux autres énergies renouvelables, est qu'il peut produire de l'électricité au point d'utilisation. En outre, la ressource photovoltaïque est géographiquement répartie uniformément, ce qui signifie qu'il peut être appliqué n'importe où « Last but not least », en raison du stade très précoce du développement de la technologie photovoltaïque, le coût de production d'électricité photovoltaïque peut être devrait diminuer nettement inférieurs aux prix actuels à l'avenir, permettant la génération concurrentielle sur une très grande échelle.

Même si ces dernières années ont vu la quantité d'électricité produite à l'aide du PV augmente rapidement année après année, il est encore une petite quantité par rapport aux autres énergies renouvelables comme l'énergie éolienne ou la biomasse. Le principal obstacle à l'absorption dans le marché d'aujourd'hui est le coût du PV, ce qui rend l'électricité produite trop cher pour de nombreuses applications. L'industrie photovoltaïque doit devenir plus compétitive et la plus efficace de développer des procédés de fabrication et de dispositifs de conversion. Le cadre réglementaire peut souvent entraver l'installation et la poursuite des travaux sur la normalisation effective serait le rendement de nombreux avantages. La perception du marché actuel de la technologie, c'est qu'il est pour niche applications, et non pour un usage général. Pleinement les efforts de recherche coordonnés aboutirait à surmonter certains de ces obstacles, mais des actions supplémentaires sont nécessaires de toutes les parties prenantes, si le déploiement est à décoller.

L'analyse effectuée par le Conseil européen consultatif démontre que le PV a le potentiel de fournir de l'électricité sur une grande échelle à un coût compétitif. En 2030 PV pourraient générer de l'électricité de 4% dans le monde entier. Toutefois, le Conseil a estimé que 2030 comme une étape intermédiaire et a


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souligné que le PV de continuer à croître régulièrement bien au-delà de cette date. Il est prévu que la technologie évoluera vers une plus grande efficacité modules, cellules et les systèmes, avec des durées de vie plus longue et une fiabilité améliorée, rendant l'utilisation de nouveaux matériaux. Coûts de production sont attendus à l'automne de manière significative, entraînant une consommation accrue et le déploiement à la fois dans les marchés des pays industrialisés et pour les applications non-grid dans les pays en développement, créant ainsi des emplois et des exportations. Le marché du PV sera très compétitive, et assurer le leadership européen dans ce secteur de haute technologie, il faudra bien coordonnés, la concentration des efforts et à long terme.

4- La situation mondiale pour le PV

4-1 La situation dans les états membres de l’EU

Dans l'Union européenne, les activités de recherche liées à PV sont prises en charge par les Européens et par les programmes nationaux. La plupart des recherches PV programmes a commencé dans les années quatre-vingt en retard ou début des années nonante.

Activités de recherche PV sont actuellement organisées de deux façons différentes:

Pour la plupart des États membres, l'énergie photovoltaïque sont inclus dans un sous-programme d'un plus grand (renouvelable) programme d'énergie et la part de PV dans les programmes d'énergie renouvelable est différente pour les différents États membres. Dans certains pays (Autriche, Danemark), PV représente une nominale petite partie de la recherche sur l'énergie renouvelable programmes, et est en concurrence avec d'autres options d'énergie renouvelable. Dans d'autres, comme la Suède, la Suisse ou la France, le PV est l'un des domaines qui sont prioritaires.

Dans les autres États membres, la recherche PV s'intègre plus général des programmes de développement de la technologie. Actions de R&D dans le domaine de PV sont financés (comme en Grèce) sous la rubrique «horizontale» des programmes de recherche couvrant un large spectre des priorités de recherche, tels que "Le programme pour la promotion de la recherche industrielle", ou "Le Programme pour des projets de démonstration". C'est également le cas pour le Portugal, où ces activités sont financées soit par la Fondation pour la science et La technologie ou par le programme d'investissement du ministère de l'Economie.


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Les organismes gouvernementaux sont généralement les principales institutions impliquées dans la recherche PV au niveau national. Beaucoup d'activités nationales de recherche sont cofinancées par l'UE à partir du programme-cadre et il ya peu de recherche et de coordination du développement au niveau européen.

Fig.1 Total PV installée d'énergie dans certains pays européens d'ici la fin 2003.

Certains Etats membres et les régions ont développé une technologie spécifique de rachat d’encourager l’adoption de la technologie PV, notamment en Allemagne ou la « Loi sur les sources d’énergie renouvelables » (EEG) [3] fixe un objectif ambitieux de 1 GW pour 2010. Il en est résulté une augmentation du marché dix fois en quatre ans (de 13 MW en 1999 à 130 MW en 2003) et une réduction de 20% du prix. L'Espagne a également mis en place une incitation tarif de rachat par le décret royal (RD436/2004), mais les obstacles administratifs empêchent encore l'absorption.

Il est de plus en plus admis que ces mesures de soutien (voir tableau 2) constituent un moyen efficace d'obtenir une pénétration rapide du marché et la réduction des coûts pour les PV. Néanmoins, une attention particulière doit être accordée à l'environnement concurrentiel et les conditions spécifiques qui s'appliquent à ce type de régime de soutien. Par ailleurs, certains pays européens ont opté pour un portefeuille d'énergies renouvelables standard. Toutefois, si des mesures sont prises spécifiques à la technologie, ce ne sera généralement pas la forme un cadre suffisant pour le déploiement rapide de l'énergie photovoltaïque.

Dans les nouveaux États membres, la fabrication et la production d'énergie photovoltaïque de puissance installée sont faibles par rapport à l'UE-15. La République tchèque mène avec 330 kW de puissance installée, près de 50% de la


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puissance totale installée dans les dix nouveaux États membres. Cependant, il ya des signes positifs que la situation est en développement dans certains pays.

Puissance photovoltaïque installée dans l’union EuropéenneStatistique : EurObservER

Pays Marché 2006 en MWc

Marché 2007 en MWc

Puissance cumulées fin

2007 en MWc

Puissance installée par habitant

(Wc/hab)Allemagne 833,0 1 ,103,0 3,846,0 46,5

Espagne 115,1 340,8 515,8 11,7Italie 12,5 50,2 100,2 1,7

Pays-Bas 1,5 2,3 55,0 3,3Portugal 0,4 14,3 179 1,7France (métro)

7,6 12,8 46 ,7 (+DOM) 0,8

Autriche 1,5 3,0 28,6 3,5Royaume-Uni 3,4 3,4 17,7 0,3

Grèce 1,2 2,5 9,2 0,8Total UE 981,4 1,541,2 4,689,5 8,5

Tableau.2 Cadre de réglementation pour les PV dans quelques pays de l'UE-25. [4]

4-2 La situation au Etats-Unis

Le Département de l’énergie des états unis (DOE) mène les activités fédérales de PV dans le cadre du "Programme national de photovoltaïque". Ce programme, réalisé par le Centre national de Photovoltaïque, le Laboratoire National d’énergie Renouvelable (NREL) et Sandia, suit un paradigme national bien établi la formation de partenariats entre les laboratoires nationaux, de l'industrie et les universités. Il vise à soutenir l'industrie américaine PV dans l'amélioration du rapport coût-efficacité, les performances et la fiabilité de ses produits. L’Industrie sert habituellement à appuyer la recherche fondamentale et appliquée et de développement.

D'autre part, il n'existe aucune politique réelle du marché de déploiement au niveau fédéral. Le processus de déréglementation en cours des services publics d'électricité a donné lieu à plusieurs programmes proposés, et une législation au niveau de l'État qui affecte l'énergie photovoltaïque. Il s'agit notamment de "prix vert, jachères pour le photovoltaïque, la facturation nette, les exigences d'interconnexion, etc. initiatives liées à la promotion du photovoltaïque sont adoptées individuellement par chacun des 50 États. Les programmes d'État sont trop diverses pour résumer dans la présente étude.


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4-3 La situation au Japon

Le gouvernement japonais a, au cours des dix dernières années, mis en œuvre une politique cohérente à long terme y compris les PV de R&D, des essais de démonstration, le déploiement du marché et de promotion. Cette continuité permet la mise en œuvre de la PV, tant dans le secteur manufacturier et dans le marché, très efficace. Une nouvelle loi encourage la mise en place d'une capacité de 5 GW de systèmes PV en 2010. La recherche et le développement, pour réduire les coûts des systèmes photovoltaïques et de promouvoir une technologie innovante de prochaine génération est également en cours. Les questions de normalisation sont adressées, PV et est activement promu par le système PV résidentiels Programme de diffusion. En outre, le gouvernement a mis en place des programmes de soutien pour l'introduction des énergies nouvelles destinées aux gouvernements locaux et les entrepreneurs privés.

Le PV Japonais "PV2030" [5], décrit les voies de développement possible de la PV, conduisant à des PV 50-200 GW en 2030 (scénario de base et 100 GW). Le potentiel technique est estimé à 8 000 GW. La Recherche et le développement vise à atteindre le seuil de même avec des prix de l'électricité des ménages en 2010 (0,17 € /kWh) [6], prix de l'électricité d'affaires en 2020 (0,10 €/kWh) et prix de l'industrie en 2030 (0,05 €/kWh).

Le Japon a une facturation nette (~0,2 €/kWh) régime complétée par une subvention relativement faible (seulement 12%). La mise en œuvre est réussie, et à la fin de 2003, quelque 180 000 systèmes ont été installés avec une totale capacité de 700 MW.

4-4 La situation en Chine

Il était de 50 MW de capacité installée des systèmes PV à la fin de l'année 2003 en Chine, dont 10 MW ont été installé en 2003. Cependant, l'industrie chinoise est de plus en plus visible dans les foires et forums internationaux du PV. Le PV semble faire partie de la volonté du gouvernement vers un fort développement des énergies renouvelables, l'objectif annoncé lors de la récente Conférence mondiale de l'énergie renouvelable qui s'est tenue à Bonn en Juin 2004 en ayant une part de 10% pour les énergies renouvelables de production d'électricité d'ici 2010.


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4-5 La situation au autres pays

En raison du manque d'informations concernant les marchés PV dans le monde en développement, il est difficile de décrire la situation actuelle de l'industrie PV dans ces régions. Toutefois, il est estimé que 156 MW ont été installés dans le reste du monde (RDM) en 2003.

L'état actuel PV dans le monde en développement est caractérisé par un marché rural isolé pour des systèmes autonomes, financées par les banques de développement, les agences de coopération nationales et toutes les organisations multilatérales comme la Banque mondiale, Banque asiatique de développement, Banque Inter-Americaine de développement, les Etats Unis , l'Union européenne, entre autres, grâce au développement et des projets de coopération. Cette situation a créé un marché qui est impossible de prévoir et trop dépendante de projets ruraux d'électrification PV. Toutefois, une partie importante des fonds est dirigé vers l'élimination des entraves au marché pour la diffusion des énergies renouvelables, favorisant ainsi la création de marchés PV en milieu rural.

Aujourd'hui, il ne fait aucun doute que les institutions comme les Nations Unies et la Banque mondiale sont l'élaboration d'une approche nouvelle et travaillent de concert avec les gouvernements nationaux sur la manière de lutter contre la pauvreté et améliorer la qualité de vie. Par des initiatives comme les Objectifs du Millénaire pour le développement et le Pacte mondial, entre autres, la communauté internationale a changé la face du la coopération et le développement, et de la technologie photovoltaïque sera une partie importante de ce processus. L’Inde est un grand exemple, il a été en mesure de promouvoir un marché rural du PV, tout en développant sa propre industrie.

4-6 Comparaison entre le Japon, Etats-Unis et en Europe

Les chiffres de l'AIE sur les dépenses publiques pour la recherche montrent que le Japon investit le PV de façon significative plus de fonds publics en faveur du développement du PV de l'UE ou les Etats-Unis, comme indiqué dans le tableau 3. Ces chiffres ne comprennent pas le coût des aliments en les régimes de soutien qui sont importantes au Japon (tarif PV = 0,3 €/kWh) et en Allemagne (0,5 € /kWh avant 2004). En Allemagne, le coût de la R&D des programmes a été de 22,2 millions de dollars en 2002, alors que l'alimentation en régime de soutien coût 55,9 millions de dollars (à noter que ces coûts sont couverts par une légère augmentation des tarifs à la consommation).


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(Million US $) R&D Démonstration déploiement sur le marché

Total

Japon 59 36 185 280Europe 58 11 62 131

USA 35 0 80 115ROW 20 9 13 42Total 172 56 340 568

Tableau.3 Dépenses publiques sur la recherche PV et le déploiement commerciale en 2002. [7]

Fig.2 Puissance photovoltaïque globale installé par région du monde. [8]


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5- L'industrie photovoltaïque

Après un démarrage lent, le marché mondial PV a connu une croissance à un taux annuel moyen d'environ 35% (de 150 à 750 MW) au cours des 5 dernières années. Ce succès a été généré par une combinaison de stimulation du marché et de la recherche et le développement intensif au Japon, aux Etats-Unis et en Europe, au cours des 10 dernières années. Les prix ont été réduits d'un facteur 3 depuis 1990. Cumulatifs installations dans le monde sont estimées à 2,2 GW d'ici la fin de 2003, avec position de l'Europe à 560 MW, comme le montre la figure 1.

La production photovoltaïque européenne en 2003 a atteint 200 MW (figure 3) qui représente environ 26% de la production mondiale PV (750 MW). Les fabricants japonais ont sensiblement augmenté leur part de marché, en termes de production, de 1995 à 2002, de 21% à 49%, ce qui continue de se creuser encore plus élevé.

L'installation de la PV en Europe en 2003 représente 34% du marché mondial des systèmes PV, contre 38% au Japon. Avec 49% de la production mondiale dépasse de loin leur marché domestique, le Japon est un exportateur net de PV. Le marché a augmenté en Europe à un rythme compatible par rapport aux autres grands marchés (Japon et USA). En revanche, l'intensité des efforts de développement technologique et l'augmentation des capacités de production sont beaucoup plus faibles en Europe qu'au Japon.

Fig.3 parts de marché PV régional 2003. [9]

La raison de ceci est illustrée dans ce qui s'est passé dans les marchés japonais. La figure 4 montre que, au début de ce programme, le module a représenté environ 45% du prix total du système, l'onduleur, l'ingénierie, et les prix d'installation contribuant à plus de la moitié. Comme l’augmentation du volume, comme les méthodes d’installation sont devenus normalisés, comme l’onduleur et


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des technologies de l’électronique améliorée et une diminution des coûts en raison de la production ont augmenté, le prix. C'est ici que l'impact majeur reste à bas total du système de tarification et la mise au point pour l'investissement technologique.[10]

Fig. 4 Système de données sur les prix du programme japonais de PV, montrant l’importance croissante des investissements à réduire le coût du module PV à faire coût compétitif


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6- Etat d'avancement technologique et le potentiel technologique de PV

Un peu plus de 50 ans, cette technologie solaire de l'électricité a marqué un important point de basculement moderne dans les laboratoires Bell téléphone lorsque Daryl Chapin, Gerald Pearson, et Calvin Fuller soudain tourné une curiosité de recherche dans un producteur d'électricité viable. Leur recherche sur l'innovation a les performances de ces dispositifs au silicium cristallin de l'intérêt de laboratoire (rendements de conversion en vol stationnaire à 1%) des gains d'efficience 5-8 fois plus grande, l'obtention de leur examen en tant que véritables sources d'alimentation électrique. Bien que ce trio a travaillé à développer une source d'alimentation pratique pour Bell à distance transmission du signal de téléphone ici sur la terre, ils réellement créé la technologie que le premier s'épanouit au pouvoir de nos premiers satellites de pointe à une révolution dans les communications sans fil qui n'a pas été envisagée pour le moment au sein de leur transmettre propres prospectifs entreprise de communications. Plus important encore, les laboratoires de Bell ont montré que la technologie pourrait être transférée sur le banc de laboratoire pour le consommateur rapidement, quelque chose que nous avons perdu la capacité de le faire de manière efficace et cruellement besoin aujourd'hui pour notre défi énergétique. Pour les technologies des énergies renouvelables, un retour à ce modèle de développement accéléré et le déploiement est obligatoire, en particulier avec les préoccupations énergétiques recouvrant l'expansion des activités (en particulier dans les pays en développement), ce qui rend nos sources d'énergie sûres, et l'amélioration de notre environnement afin de prévenir une éventuelle " Tipping Point "dans un scénario de réchauffement de la planète critique.

PV comme une technologie et une entreprise a dépassé la production annuelle et les ventes de 2,5 GW et de 20 G $ respectivement cette année. Comme représenté à la Fig. 1, ces expéditions dans le monde ont connu une croissance supérieure à 30% chaque année depuis plus d'une décennie. PV est une véritable entreprise actuellement et devraient continuer à présenter ces importantes augmentations annuelles depuis un certain temps à venir. Une grande partie de cette croissance a été le résultat des mesures incitatives du gouvernement, principalement au Japon et en Allemagne. Ces deux gouvernements ont montré que les politiques font une différence assez utilisant des approches différentes. La stimulation du marché au Japon a été fondée sur les subventions en espèces, dans un premier achat d'une réduction du prix pour le consommateur. À partir de 1994 avec un rabais de 50%, ce programme a suivi sa conception à se désengager progressivement par le gouvernement partie que le prix pour le système de PV a diminué.


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Fig.5.a Production photovoltaïque, 1990-2006 (de Paul Maycock, PV Energy Systems). [11]

Fig.5.b Production photovoltaïque, 2006-2010 (de Paul Maycock, PV Energy Systems). [11]


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Une représentation des investissements en technologie est illustrée à la Fig. 6. Le «maintenant» des marchés-PV dominée par l'évolution des technologies (principalement Si cristallin), qui doivent être élargies et accélérées pour répondre à court terme (2010) attentes. Ce chemin de l'évolution a été enregistrée au cours des 30 dernières années, avec une expérience classique 80% (ou apprentissage) caractéristique (c'est à dire avec le prix du PV baisse de 20% pour chaque doublement des capacités de fabrication, comme le montre la Fig. 7a). En fait, au cours de la période récente, ce qui a été plus proche d'une courbe d'expérience 90% en raison des complications techniques telles que des problèmes Si approvisionnement en matières premières, les limitations de capacité à un moment de la demande croissante des produits, et accroît les marges-obligatoire attention à accélérer les démarches de l’évolution. Ces questions récentes ont conduit à la prise de conscience que quelque chose de plus est nécessaire et que les voies principales de l'évolution ne sont pas ceux de nous positionner pour l'horizon 2020 et au-delà des exigences de la technologie et des objectifs. Il faut pour cela des technologies de rupture. Le mot «perturbateurs» est très positif dans ce contexte d'amélioration et d'innovation-représentant que nous avons connu dans notre vie de consommateurs de nombreuses fois. Ces cours nous transformer hors des courbes d'apprentissage, tout comme la mise en place du circuit intégré de manière significative nous redirigé de l'électronique de composants discrets dans les années 1960 et, comme les disques durs de nos ordinateurs remplacé les disques "disquette dans les années 1990. Écrans plats ont bien failli nous oublier les tubes cathodiques dans les années 2000 et l'appareil photo numérique est l'enfant perturbateur de presque tous les touristes. Technologies de rupture sont acceptées et soutenus dans un marché parce qu'ils ont des avantages. [11]

Fig.6 Voies de l'investissement technique pour les technologies évolutives, perturbateur, et révolutionnaire


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Fig.7 Courbes d'apprentissage pour les prix des modules PV ; (a) l'évolution; (b) perturbateur; (c) révolutionnaire.


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Ils offrent des prix et / ou la valeur de rendement et d’augmenter dans le secteur manufacturier presque tous les touristes. Technologies de rupture sont acceptées et soutenus dans un marché parce qu'ils ont des avantages. Ils offrent des prix et / ou la valeur de rendement et augmentation du volume de production peut provenir soit de la demande et / ou de la capacité de produire le produit de meilleure qualité. Ces perturbations sont nécessaires pour atteindre les objectifs à mi-parcours (2015-2025). Il s'agit notamment de couches minces de pointe (comme sur la Fig. 7b), les matières organiques, les concentrateurs, ainsi que des approches Si cristallin. Au-delà de cela, une importante entreprise dans les technologies révolutionnaires ceux basés sur les nanotechnologies et extrêmement novateur principaux concepts de coût et de performances bien au-delà des territoires les limites des approches conventionnelles. Celles-ci ont de récupération énorme, mais intrinsèquement sont attachés à des risques immenses. Ils ont besoin de plus de temps à incuber parce que la plupart n'existent que comme des concepts et peut-être besoin de la découverte de la technologie et la science qui n'est pas encore dans nos manuels. Ceux-ci peuvent ne pas se montrer jusqu'en 2030 ou au-delà, mais ils sont les PV ", qui peut avoir des efficacités de 60% ou plus et / ou des prix et de l'ordre de grandeur plus faible que maintenant (Fig. 7c), au service des prochaines générations de consommateurs extraordinaires propres la technologie de l'énergie. Ce sont les points quantiques, les approches bande intermédiaire, la bio-inspirés, la nanophotonique, et le multi-multijunctions. Le point du troisième figure est celle d'un investissement équilibré et raisonnable dans chacun de ces domaines est nécessaire pour un avenir durable de l'énergie solaire photovoltaïque pour le monde. Nous apprenons d'où nous avons été, et peut prendre la satisfaction de se rendre où nous sommes, mais notre avenir dépend de nous emmener là où nous savons que nous devrions être. [10]


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7- Les Technologies du PV

La technologie photovoltaïque comprend un certain nombre de performances des composants importants des «lacunes» des différents cristallin, polycristallin et amorphe; en vrac, ainsi que les technologies à couches minces. La première est la différence entre les limites théoriques, les niveaux atteints, et ce qui a été démontré dans les meilleures conditions dans le laboratoire (le titre ou des cellules d'enregistrement). Celles-ci vont de ~ 90% pour Si cristallin à 50% pour certaines couches minces à moins de 25% pour les cellules organiques. Outre ces différences, sont des pertes qui sont inhérentes au processus de conversion (théorique réalisable), et la capacité de fabriquer la cellule avec l'ensemble des optimale, les propriétés et les paramètres interdépendants. L’écart "entre ce qui peut être atteint et ce qui a été atteint" est une préoccupation majeure pour les chercheurs un processus d'identification, la compréhension et la réduction des pertes de collecte chaque photon incident, ce qui permet pour créer le nombre maximum de paires électron-trou, puis rendre ces transporteurs vivre assez longtemps pour contribuer au processus de génération actuelle. La seconde est la différence entre l'efficacité des cellules en laboratoire et ceux fabriqués dans les lignes commerciales. Cela a à voir avec la grande échelle du traitement de grandes surfaces, les variations des matériaux (plaquettes de départ, substrats, revêtements, etc), des conditions moins contrôlées, et plus les débits requis. L'écart entre le troisième est que l'efficacité des cellules et celles des modules. Cela dépend de la capacité à minimiser les pertes lors du câblage des cellules dans les circuits, ce qui porte la surface active du module pour se rapprocher de la zone de cellules, et enmaximisant la transmission optique des couches de protection ou de soutien qui sont placés entre les cellules et les lumière solaire incidente. Ces «lacunes» sont ceux qui peuvent et doivent être abordés et sont réduits au minimum et les zones actives de recherche et développement pour toutes les technologies PV. Meilleursrendements de la cellule sont au cours des 30 dernières années sont présentés sur la Fig. 8.

7-1 Technologies évolutive

Parmi les plus de 2 GW des expéditions PV commerciaux en 2006, plus de 90% continue d'être monocristallin, polycristallin, un ruban, et le silicium fiche. En fait, les marchés auraient absorbé encore plus l'exception que les fournitures ont été limitées en raison de capacités de fabrication insuffisantes et des fournitures. Bien que ces capacités devraient plus que doubler dans les 3 prochaines années (au-delà de 25% par an de croissance), et la demande de la fondation de semi-conducteurs « de l’industrie photovoltaïque sera probablement à la traîne sur le marché, aussi longtemps que les incitations en grandir l'Europe, et plus encore, si


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ceux qui débutent dans les États-Unis sont encore élargi par le changement de climat politique et de plus en plus la préférence du publique.

Fig.8 Meilleur efficacité de la recherche des cellules en fonction du temps pour les différentes technologies. [12]

7-2 Technologies de concentrateur photovoltaïque

En plus de silicium cristallin et de couches minces modules plaque plane, les technologies de concentrateur d'avoir une part dans les entreprises commerciales PV. Concentrateurs cellules très petites zone à haut rendement solaire (qui peut être coûteux par unité de surface) en combinaison avec une grande zone optique sont une voie importante solution de rechange à faible coûts de production. Concentrateur systèmes sont basés sur la substitution des éléments des cellules solaires à bas prix cher par des éléments optiques. La hausse des coûts du système complet (optique, de suivi, de refroidissement, etc.) sont compensées par une plus grande efficacité.

7-3 Les technologies émergentes et nouvelles

Une variété de technologies photovoltaïques et d'autres concepts de conversion sont l'objet de recherches en Europe et ailleurs. Ils visent tous à faible coût, à haut rendement ou une combinaison des deux. Les nouvelles technologies sont à divers stades de développement: de la preuve de principe à la production


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pilote. La plupart nécessitent encore des recherches fondamentales pour montrer le potentiel de base pour un usage commercial.

Un facteur clé dans la réduction du coût des modules est connecté avec les procédés de fabrication utilisés. Dans ce contexte, il ya un intérêt considérable dans le remplacement simple des couches de semi-conducteurs cristallins et polycristallins par des couches nanostructures, qui peuvent être déposés à très bon marché, en utilisant l'expérience d'autres secteurs.

Les nouvelles technologies peuvent être classées comme suit:

• Options visant principalement à des coûts y ver faible (tout en optimisant l'efficacité).

- L'oxyde de cellules sensibilisées(DSSC).

- Les cellules solaires organiques.

- D'autres matériaux nanostructuré.

• Options visant principalement à très haute efficacité (tout en optimisant les coûts).

- Les cellules multi-jonctions à utiliser dans les concentrateurs.

- Concepts de conversion romane.

Certaines technologies, comme l'oxyde sensibilisés et multi-jonctionscellules, sont plus matures et sont progressivement de la phase de laboratoire, alors que d'autres sont encore aux premiers stades de développement. Organique (ou «plastique») PV est souvent considéré comme un risque élevé, une option à haut potentiel. Dispositifs de travail ont été démontrés, mais l'efficacité est encore faible et une stabilité suffisante doit encore être prouvée.

Enfin, les concepts de conversion roman sera fondée sur un certain nombre de principes, et peut être considéré comme à l'étape de la recherche fondamentale.

Pour les technologies qui ne sont pas encore en production ou en production pilote, il est très difficile d'estimer les coûts de fabrication du futur, car les concepts de laboratoire cela est encore impossible. Par conséquent, l'objectif actuel de la recherche est sur l'efficacité, la stabilité et la durée de vie.


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8- Une vision pour le photovoltaïque

Les principales forces motrices qui exigent un changement radical de nos modes de consommation d'énergie comprennent l'épuisement des ressources pétrolières et gazières, considérations relatives au changement climatique, la nécessité d'assurer la sécurité d'approvisionnement, le manque d'accès à l'énergie commerciale d'un tiers de la population mondiale et la croissance économique attendue des pays émergents. Le monde développé ne représente que 20% de la population totale, mais elle consomme 80% de la population mondiale ressources tout en même temps produire une grande partie des déchets de l'environnement et la pollution atmosphérique. D'autre part, les pays en développement est aux prises avec des difficultés de développement économique et la lutte contre la pauvreté.

La transition vers un système énergétique durable au niveau mondial est l'un des plus grands défis l'humanité ait jamais été confrontée.

Cette transition aura 30 à 50 ans ou plus, même si la nécessité du changement est urgente, en raison des conséquences négatives sur l'environnement que connaît le monde actuellement. Ce processus implique d'énormes investissements financiers et un engagement fort et politique continue.

Dans le cadre de cette transition, le PV est une technologie clé. Le stade de développement relativement précoce indique un grand potentiel de taux constant et élevé de la croissance jusqu'à et au-delà 2030. Il est prévu que d'ici à 2030, PV sera établi en tant que fournisseur d'électricité viable, et que le marché va continuer à croître par la suite, à pleine vitesse.

Les prévisions doivent donc être considérées comme les intermédiaires, et sont par nature sujettes à des incertitudes importantes.

8-1 Le développement technologique

Des progrès impressionnants dans la technologie PV ont été réalisés au cours des dernières décennies. Cela est évident par la réduction de prix (environ un facteur 5 au cours des 20 dernières années), par l'augmentation de l'efficacité des technologies commerciales et de laboratoire (habituellement de 50% par rapport à la même période), par la technologie options portefeuille ample et par le forte la fiabilité du système améliorée et le rendement.

La période jusqu'en 2030 montre en outre rapide maturation de technologies commerciales, conduisant à un rendement de module plat plaque dans la gamme 10-25% (35% pour les concentrateurs) et les coûts de production jusqu'à


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de 0,05 à 0,12 €/ kWh. Delà de 2030 une nouvelle réduction de coût de production est attendue.

Toutes les technologies, le silicium cristallin, couches minces et de nouveaux concepts peuvent être présentes de façon significative sur le marché.

En 2003, les systèmes photovoltaïques ont une durée de vie standard technique pouvant aller jusqu'à 40 ans.

L’exploitation et l'entretien annuel sera 0.5-1% des coûts d'investissement. Modules PV et les systèmes seront fondées exclusivement sur des abondantes et non matériaux non toxiques, ou complètement fermée cycles et le temps de récupération d'énergie de ces systèmes sera inférieure à un an.

Après 2030, un rendement de module va continuer à augmenter à la suite de la mise en œuvre réussie des nouveaux concepts. En fin de compte, le module PV aura un rendement de conversion d'énergie dans la gamme 30-50%, permettant une utilisation très efficace de l'espace disponible. Un mètre carré de la plus grande efficacité des modules photovoltaïques installés dans les régions ensoleillées alors rendement 1 000 kWh d'électricité par an.

En 2030, les éléments du système PV se sont développés en éléments de construction polyvalent, faciliter normalisée et des utilisations spécifiques sur une grande échelle. Presque tous les nouveaux bâtiments seront équipés de panneaux photovoltaïques, et de nombreux producteurs seront nets d'électricité.

Mise en œuvre à très grande échelle des PV, il faudra combinaison avec back-up en provenance d’autres sources d’énergie renouvelables et le développement de l’équilibre et les technologies avancés de stockage.

Dans le même à plus long terme, des options autres existent, comme les grandes installations PV désert installé alimenter les consommateurs à distance via un réseau d'électricité dans le monde entier. En outre, la production d'hydrogène à partir d'électricité photovoltaïque (en combinaison avec la production d'électricité par suite des piles à combustible) peut devenir une option si les rendements de conversion peuvent être améliorés. Le développement de nouvelles technologies d'éclairage LED comme, écrans plats, etc., qui peuvent être alimentés en courant continu à basse tension, convertisseurs peuvent permettre d'éliminer et de réduire davantage les coûts d'installation des systèmes photovoltaïques.


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8-2 Aspects socio-économiques

En 2030, PV ont mis au point dans un secteur économique important, tant dans le monde et en Europe. Il y aura une forte industrie photovoltaïque européenne avec des exportations importantes. Le nombre d'emplois créés dans l'UE se situera entre 200 000 et 400 000 (basée sur une production européenne annuelle de 20-40 GW), beaucoup d'entre eux liés à l'installation et du bâtiment. Ces emplois seront donc répartis géographiquement et entre les entreprises PME et grandes entreprises.

Selon l'application, un large éventail de technologies de cellules solaires commerciales seront disponibles chacune avec ses propres caractéristiques. Il y aura une gamme de produits avec des rendements différents pour utilisation dans les domaines d'application particulière. PV sera disponible à usages multiples modules solaires (capteurs plans ou de concentration), une variété de produits de construction et de produits intégrés (OEM-composants avec l’énergie solaire power24). [13]

Un large éventail d'appareils en utilisant directement l'énergie photovoltaïque (par exemple, les diodes électroluminescentes) sera également commune sur le marché.

Photovoltaïque connecté au réseau traversera le premier obstacle majeur, à savoir la compétitivité de l'électricité au détail, dans de grandes parties de l'Europe, dans les dix ans. En outre, l'utilisation d'équipements photovoltaïques comme éléments de construction sera de faciliter la pénétration du marché des systèmes de toit et influent fortement sur les concepts de construction et de nouvelles normes. En 2030, les coûts de production PV sera suffisamment faible pour permettre la concurrence dans la plupart des parties du marché de l'électricité, d'autant plus si les prix des combustibles fossiles continuent de croître comme prévu et l'impact environnemental du PV est évalué.

Les coûts de production PV n'ont généralement pas un niveau de référence unique, comme l'électricité photovoltaïque peut être injectée dans le réseau à différents niveaux ou PV peuvent être utilisé dans des systèmes autonomes. Pour les systèmes raccordés au réseau électrique sur le toit, la comparaison des tarifs est probable consommateur final, y compris les taxes, et pour les grandes centrales photovoltaïques avec le prix de gros de l'électricité (en tenant compte d'un «vert» de cotisation). Pour les systèmes autonomes, la comparaison est plus susceptible d'être faite avec des générateurs diesel ou l'extension des réseaux. Dans ce cas, le PV est souvent non seulement plus propre et plus fiable, maiségalement une option moins onéreuse, en dépit des coûts de production relativement élevés.


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En 2030, il deviendra donc une pratique courante de comparer les coûts et la qualité du service fourni plutôt que le coût du carburant ou d'électricité.

Les coûts de production d'électricité photovoltaïque à partir de systèmes raccordés au réseau sont actuellement de l'ordre de 0.25 à 0,65 € / kWh en Europe, en fonction de l'irradiation solaire local. En 2010-2015 celles-ci auront été réduits de moitié, tandis que les coûts de production en 2030 sera de l'0,05 à 0,12 € / kWh.Après 2030, les coûts diminueront encore facilité par des technologies de pointe(voir figure 9).

8-3 La photovoltaïque dans l'image de l'énergie 2030

En 2030, les sources d'énergie traditionnelles seront encore le principal fournisseur d'énergie, mais l'utilisation de technologies d'énergies renouvelables sera de plus en plus. Il y aura eu un changement de hautement centralisé de production d'électricité à un système plus diversifié dans lequel les énergies renouvelables jouent un rôle important. PV, éolien, biomasse, énergie solaire, l'hydroélectricité, la géothermie sera mise en œuvre une forme complémentaire pour répondre aux besoins d'approvisionnement et la localisation géographique. En particulier, le PV est désormais considéré comme la meilleure option pour alimenter

Fig.9 Les coûts de production du PV électricité. [14]

L'objectif de l'UE pour les PV de 3 GW installés (environ 3-4 Twh la production d'électricité) en 2010, peut être atteint. Avec ambitieux, mais réaliste, les chiffres de croissance, la capacité installée pourrait passer à environ 200 GW (200


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Twh) dans l'UE, et 1 000 GW (1 000 Twh) dans le monde entier en 2030, représentant 4% de la production mondiale d'électricité.

Ces estimations sont cohérentes avec l'objectif du gouvernement japonais de 50-200 GW. Ils sont encore bien en deçà du potentiel estimé technique, et, par conséquent, il est prévu que le PV pourrait croître beaucoup plus grande dans les décennies au-delà de 2030.

PV sont devenu une caractéristique bien connue dans nos villes ainsi que dans les pays en développement. La diffusion à grande échelle des PV pour une utilisation en milieu rural dans les pays en développement ont fourni l'accès à l'électricité à plus de 100 millions de familles d'ici à 2030, donc un effet positif sur la vie d'un demi-milliard de personnes (sur 1,7 milliard les personnes qui n'ont pas un tel accès d'aujourd'hui).

En 2030, le prix de l'électricité tiendra pleinement compte de l'impact environnemental de la production, les informations impact sur l'environnement seront généralement disponibles pour faciliter le choix éclairé du client et la demande du marché pour les technologies énergétiques à faible impact environnemental sera forte. Les politiques de développement et des initiatives communautaires auront joué un rôle majeur dans la réalisation de ce résultat, tant au sein de l'Union et dans le monde en développement. PV sera devenu une option standard et bien accepté pour diverses exigences et demandes et, de concert avec d’autres sources d’énergie renouvelables, sera un fournisseur fiable et sûre de l’énergie, en soutenant le réseau ou en mode autonome où et quand nécessaire.

Fig.10 Une image future pour le PV. [15]


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9- Comment arriver à la vision

Dans ce qui précède nous décrirons les divers aspects - À la fois techniques et non techniques - de la situation actuelle de la technologie photovoltaïque, les applications et les marchés ainsi que le marché en cause et les cadres politiques. Les 20 dernières années des efforts soutenus en recherche, la technologie et de fabrication ont développé des systèmes photovoltaïques en croissance rapide, de plus en plus globale l'industrie. Les coûts sont en baisse constante PV et le financement public donne des résultats.

Selon cette vision, en 2030, grande échelle déploiement industriel de l'énergie photovoltaïque sera produite et offrira une gamme de services concurrentiels de l'énergie, ce qui apporte une contribution croissante du portefeuille d'approvisionnement en électricité. Dans ce contexte, PV fournira une contribution importante à l'approvisionnement durable en énergie.

Il convient de noter que, bien que l'évolution actuelle soit très encourageante, ils sont en partie dispersés: parfois axées sur la technologie et parfois guidées par la politique. Afin de réaliser la vision, les activités doivent être en forme en un tout cohérent, à long terme, la stratégie axée sur le marché qui comprend des actions ciblées de transition. Etant donné le potentiel du photovoltaïque, les activités en cours peut être renforcée par l’adoption d’une telle stratégie permettant ainsi à la réduction des coûts accélérée, l’accumulation de nouvelles solutions compétitives et une base industrielle solide.

Les éléments clés d'une telle stratégie sont les suivants:

• La nécessité d'un effort concerté, avec continuité et le plein appui de tous les acteurs.

• Une approche globale et structurée.

• concentrer davantage sur les questions essentielles technologique.

• mesures d'accompagnement proportionnel.


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Les questions spécifiques

Pour réaliser la vision PV, les questions spécifiques suivantes doivent être adressées:

Accroître les efforts de RDT

Si une quantité considérable de fonds de recherche sont actuellement orientées vers le développement de composants et de systèmes PV rentables, le niveau d'effort doit être porté à être en équilibre avec la croissance actuelle du marché et le potentiel de la technologie. Afin de rendre compte de la nature à long terme et stratégique de ces dépenses de recherche, la recherche et dédié programmes de développement devraient être conçus. Action particulière n'est nécessaire dans les pays où les efforts nationaux de recherche pour le PV sont rares.

L'alignement des stratégies et des objectifs

Il est essentiel à la position adéquate PV au fil du temps par rapport à sa future contribution à l'approvisionnement énergétique et de l'environnement et les avantages sociaux. Les stratégies et les objectifs doivent être clairement formulés et séparés dans le court terme (jusqu'en 2010), moyen terme (jusqu'en 2020) et à long terme (au-delà de 2020).

La continuité d'action et à long terme

Compte tenu des délais nécessaires pour réaliser le plein potentiel de la PV, la continuité de l'action est essentielle. Le développement technologique et la diminution des coûts ont été une réalité, et avec l'appui, cette tendance devrait se poursuivre, ce qui permet l'évolution progressive des nouveaux marchés concurrentiels. Avec la libéralisation dans le secteur de l'énergie, ce qui fournira de nouvelles entreprises possibilités.

Surmonter les obstacles entravant

Outre la question évidente de coût élevé, plusieurs autres obstacles existent qui entravent le déploiement à grande échelle de la PV. Il s'agit de questions techniques, les problèmes de fabrication, la structure du secteur de l'électricité, la normalisation, le financement, l'éducation et la formation des installateurs et la sensibilisation des marchés et l’acceptation par le public. Les différents obstacles doivent être systématiquement précisés et adressée, avec la participation de toutes les parties prenantes, y compris ceux en dehors de la communauté PV.


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Améliorer le transfert de technologie

Une des faiblesses de l'Europe, pas spécifique à PV, est la difficulté de transfert rapide de la technologie de recherche à l'application. Au cours des dix dernières années, diverses tentatives ont été faites pour améliorer le transfert de technologie structurel, l'approche institutionnelle et financière de favoriser et de nombreux résultats positifs ont été obtenus, en soutenant "Esprit d'entreprise, la prise de risque et se concentrer sur les attitudes de succès".

Néanmoins, la coopération entre la science et l'industrie peut encore être amélioré en faveur d'un transfert rapide de technologie. Le transfert de technologie est perçu au profit fortement d'une coopération étroite entre les professionnels de différents milieux.

Soulignant les problèmes de fabrication

Quand il s'agit de la compétitivité de l'industrie PV, il ne suffit pas d'avoir une excellente ou même des résultats record dans le laboratoire de recherche. Les solutions technologiques besoin développé pour être compatible avec la transformation industrielle et l'extrapolation. En recherche appliquée, ces aspects doivent être adressés à un stade précoce, en coopération avec l'industrie. En outre, les problèmes de fabrication liés doivent être mieux pris en compte dans les programmes de développement technologique (aux États-Unis par exemple, le programme PVMAT [15] était considéré comme le régime d'aide le plus important de l'industrie).

Activation de la masse critique

Une activité européenne de PV, tant dans le milieu universitaire et l'industrie, sont caractérisées par un large éventail de projets, groupes de recherche et entreprises, dont certaines sont de petite taille. Bien que cette situation a poussé naturellement et favorise une saine concurrence, ainsi qu'un large éventail d'options technologiques différentes, elle peut entraver la formation d'une masse critique de pénétrer le marché avec succès. En regroupant les différentes activités de manière plus efficace, le chevauchement peut être réduit au profit des forces complémentaires. L'Espace européen de recherche présente le contexte adéquat pour de tels développements.

Unir les forces et les compétences

Le secteur photovoltaïque peut bénéficier de renforcement des échanges et la coopération avec d'autres secteurs de la recherche (matériaux, par exemple, la chimie, et la nanotechnologie), industrie (par exemple, l'électronique, l'industrie du bâtiment, les fabricants d'équipements) et le secteur de l'énergie (par exemple,


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d'autres technologies d'énergies renouvelables, la production décentralisées, le stockage de conception du réseau électrique,). Un dialogue proactif peut se traduire par de nouvelles synergies, où différentes compétences permettent de nouveaux partenariats prometteurs. En combinant l'utilisation de PV avec d'autres technologies plus intensive (par exemple dans le secteur du bâtiment ou dans les systèmes hybrides), PV peuvent bénéficier et de résoudre certaines de ses faiblesses inhérentes.

Marchés de construction durable

Le marché mondial du PV a connu une croissance rapide ces dernières années. Cependant, le marché peut être vulnérable en raison de changements de politiques qui créent l'insécurité à l'investissement. Même si les régimes de marché de support sont des mesures transitoires, il est important de développer "les régimes de soutien durable" qui favorisent privé l'investissement dans les marchés intérieurs et d'exportation.

Débouchés naturels pour les systèmes PV existent dans les économies en développement. Les demandes peuvent offrir une option à faible coût pour couvrir les besoins de base, mais les barrières non-techniques existent telles que la conception du système, des difficultés de financement, des infrastructures inadéquates, le manque de disponibilité d'entretien et de compétences, la qualité et l'éducation.

Impliquer les parties prenantes et les décideurs

PV est une technologie d'énergie qui suscite des opinions diverses, entre le positif à court terme et les possibilités de la perception que la contribution à l'approvisionnement énergétique à long terme n'est pas pertinent. Avec le niveau actuel de la technologie et l'expérience du marché, la discussion devrait être en mesure de passer des opinions fondamentalement axée vers un dialogue constructif et factuel, impliquant différents acteurs et les décideurs.

Définir des cadres de politique adéquats

Une variété d'initiatives politiques ont été développées au cours des dernières années, tant à la CE et des États membres. Cependant, il ya des incohérences dans les objectifs de la politique. Les différentes approches politiques doivent être pleinement évaluées et comparées afin de permettre des leçons à tirer et à veiller à ce que le futur cadre politique européenne PV peut être fondée sur quantitative et non des arguments qualitatifs. [16]


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10- Conclusion « Comment améliorer l’aspect ?»

Ce chapitre décrit en termes généraux, les actions stratégiques nécessaires pour réaliser la vision PV. Les propositions présentées ici portent sur trois principaux domaines d'intervention:

Recherche et technologie élaborer Industrie Politique

Pour avancer rapidement, ces trois domaines doivent être connectés plus fortement qu'ils ne le sont aujourd'hui, par la mise en place d'une plate-forme de la technologie PV. Un lien étroit est nécessaire pour accélérer le processus parce que le développement technologique n'est pas une séquence linéaire d'activités connexes, mais plutôt un processus parallèle avec les interdépendances prononcées.

La Technologie Photovoltaïque

Chapitre 2


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1- Introduction

Dans le contexte global d’améliorations des performances d’un système photovoltaïque (PV), il nous a semblé intéressant de commencer ce mémoire par un bilan, par filière technologique, des principaux axes de développement photovoltaïques afin de mieux appréhender les potentialités de chacune. Ainsi, en comprenant mieux les fondamentaux, cela nous a permis de comprendre les propriétés de conversion de chaque solution technologique mais aussi ses limites.[17]

Nous proposons de partager cette vision globale des avancées technologiques avec le lecteur afin de pouvoir anticiper les besoins futurs et ainsi que chacun puisse se forger son propre avis sur le développement photovoltaïque du futur. Nous rappelons brièvement le principe de la conversion de l’énergie solaire en énergie électrique reposant sur l’effet photoélectrique, c’est à dire sur la capacité des photons à créer des porteurs de charge (électrons et trous) dans un matériau. Le domaine « Génie électrique » étant notre spécialité, nous nous sommes attachés à utiliser des modèles électriques simplifiés pour décrire le comportement des différentes cellules rencontrées tout au long de ce chapitre.

La technologie photovoltaïque la plus utilisée depuis la création des premières cellules correspond à la filière silicium de type cristallin qui représente actuellement 90% de la production mondiale pour les applications terrestres. Ceci peut s’expliquer par le fait que l’industrie photovoltaïque profite régulièrement du développement de l’industrie des semi-conducteurs qui est capable de fournir une matière première d’excellente qualité pour les panneaux solaires ainsi que des processus de fabrication totalement maitrisés. Selon la qualité du silicium, nous rappelons les performances. Nous présentons ensuite le principe de fabrication des cellules multi-jonctions à haut rendement dont le développement a été motivé en priorité par les applications spatiales où les performances de la cellule priment sur les coûts de fabrication. Nous parlons ensuite d’une des nouvelles générations de cellules solaires, qui utilise de nouveaux matériaux de type organique. Ces nouveaux composés, en particulier les polymères, pourraient révolutionner le marché du PV grâce à leur faible coût de fabrication et leur facilité d’utilisation (flexibilité, légèreté). La recherche dans ce domaine est extrêmement active depuis plusieurs années et les avancées sont rapides. Nous abordons enfin le large domaine des cellules PV dites couche mince (« Thin-Film ») qui constitue ce que certains appellentles cellules de seconde génération car elles font historiquement suite aux cellules en silicium cristallin. Leur principal atout vient de la faible quantité de matériaux nécessaire à la fabrication d’une cellule comparativement aux cellules classiques (première génération). Les cellules couche mince les plus développées utilisent comme matériau de base le silicium amorphe, le diSéléniure de Cuivre Indium


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Galium (CIGS), le Tellurure de Cadmium CdTe) et on trouve de plus en plus de cellules multi-jonction améliorant d’autant les performances de cette filière.

Fig.11 Rendements photovoltaïques records 2009 AM1.5 Spectrum (1000 W/m²) à 25°C (ICE 60904-3:2008, ASTM G-173-03-Global). [18]

2- Généralités sur l’énergie solaire2-1 L’énergie solaire

Le soleil produit de l’énergie en abondance, beaucoup plus que nous pouvons consommer. Même avec notre grand besoin d’énergie, le soleil fournit 10 000 fois la consommation de l’humanité entière.

Avec une espérance de vie de plusieurs milliards d’années, il est aussi la source d’énergie la plus durable. Pour couvrir la totalité des besoins mondiaux en électricité avec le solaire photovoltaïque (une surface de 145 000 km2 serait suffisante dans les conditions européennes d’ensoleillement. Cette surface correspond seulement à 1,5% de la superficie de l’Europe).

La densité de puissance maximale de rayonnement total à la surface de la terre est bien plus élevée que les autres énergies comparables (1 000 W/m2) comme par exemple, la géothermie (0,063 W/m2) Le rayonnement solaire est accessible à tous les zones ensoleillées sur la planète correspondent en majeurepartie aux régions du peuplement humain.


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L’évolution du rayonnement solaire au cours du temps est facile à prévoir l’exploitation de l’énergie solaire n’entraîne strictement aucun risque pour l’environnement (marée noire, incident de réacteurs…).

Le temps de retour énergétique des installations solaires électriques est bien supérieur à leur durée d’exploitation.

L’utilisation de l’énergie solaire peut permettre de soulager les tensions internationales. Elle contribue ainsi à l’échelle mondiale à éviter les conflits militaires autour des énergies fossiles.

Fig.12 Rayonnement solaire dans le monde en Kwh/m2.an. [19]

2-2 Terminologie « photovoltaïque » - Les dates importantes

La conversion photovoltaïque est la transformation de l’énergie du photon en énergie électrique grâce au processus d’absorption de la lumière. Le terme « photovoltaïque » vient du grec « phos, photo » qui désigne la lumière et de « voltaïque », mot dérivé du physicien italien Alessandro VOLTA, connu pour ses travaux sur l’électricité. Une cellule photovoltaïque est donc une machine à produire de l’électricité sans mouvement circulaire, sans vapeur d’eau sous pression, sans turbine, sans refroidissement (sauf dans le cas des systèmes à concentration). Dès qu’elle est éclairée par de la lumière, elle se met à fonctionner. Le Tableau 1 résume les événements importants de l’histoire du photovoltaïque.


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1839 Le physicien français Edmond Becquerel découvre l’effet photovoltaïque 1883 Fritts réalise des cellules solaires de grande surface à base de Si1954 Des rendements de 6% sont obtenus : Si (Bell Lab, USA) and Cu2S/CdS (Air

Force, USA) 1955 Hoffman electronics (USA) propose des cellules Si à 2 % de rendement à 1500

$/W 1958 Kearns et Calvin ont démontré l’effet photovoltaïque d’une cellule à base de

MgPh 1970 Première cellule solaire à hétérostructures GaAs élaborée par Alferov, Andree

et al. en URSS 1973 Première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à

l’université Delaware, USA ; à base de Cu2S 1980 La première cellule à base de Cu2S/CdS délivrant un rendement > 10% 1982 Première unité de production de 1 MW (Californie, USA) avec des cellules Arco

Si 1985 Les cellules à base de Si donnent un rendement > 20% sous le rayonnement

solaire 1994 Des rendements > 30 % avec des cellules à concentration multijonctions à base

de GaInP/GaAs (NREL, USA) 1996 Les cellules solaires hybrides à colorants atteignent un rendement de 11%

(EPFL, Switzerland) 1998 Cellules couches minces Cu(InGa)Se2 atteignent un rendement de 19% (NREL,

US) 2002 Le photovoltaïque installé mondial cumulatif atteint 2000 MW 2007 Cellules solaires organiques en structure tandem avec un rendement de 6,5 %

(UCSB, USA)

2008Un rendement homologué de 5,9% sur une surface active de 2 cm² obtenu par Heliatek, BASF et l'Institut de photovoltaïque appliquée (IAPP) de l'Université technique de Dresde (Allemagne)

2009

Cellule polymère simple jonction avec un rendement de 6,1 % à base de PCDTBT et PC70BM (UCSB, USA) Cellule polymère simple jonction avec un rendement de 7,4 % à base de PBDTTT-CF et PC70BM (Solarmer Energy Inc., University of California, University of Chicago, USA)

Tableau .4 Evénements notables dans l’histoire du photovoltaïques. [20]

3- La théorie de la conversion photovoltaïque

3-1 La Cellule Photovoltaïque

La cellule photovoltaïque est l’élément central d’un module photovoltaïque. Il s’agit d’une surface composée d’un matériau semi-conducteur, en général le silicium, qui absorbe la lumière et la transforme en électricité. C’est ce qu’on appelle l'effet photovoltaïque.


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3-2 L’effet photovoltaïque

L’effet photovoltaïque utilisé dans les cellules solaires permet de convertir directement l’énergie lumineuse des rayons solaires en électricité par le biais de la production et du transport dans un matériau semi-conducteur de charges électriques positives et négatives sous l’effet de la lumière. Ce matériau comporte deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit en électrons, dites respectivement dopée de type n et dopée de type p. Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p. La zone initialement dopée n devient chargée positivement, et la zone initialement dopée p chargée négativement. Il se crée donc entre elles un champ électrique qui tend à repousser les électrons dans la zone n et les trous vers la zone p. Une jonction (dite p-n) a été formée. En ajoutant des contacts métalliques sur les zones n et p, une diode est obtenue. Lorsque la jonction est éclairée, les photons d’énergie égale ou supérieure à la largeur de la bande interdite communiquent leur énergie aux atomes, chacun fait passer un électron de la bande de valence dans la bande de conduction et laisse aussi un trou capable de se mouvoir, engendrant ainsi une paire électron-trou. Si une charge est placée aux bornes de la cellule, les électrons de la zone n rejoignent les trous de la zone p via la connexion extérieure, donnant naissance à une différence de potentiel: le courant électrique circule. L’effet repose donc à la base sur les propriétés semi-conductrices du matériau et son dopage afin d’en améliorer la conductivité. Le silicium employé aujourd’hui dans la plupart des cellules a été choisi pour la présence de quatre électrons de valence sur sa couche périphérique (colonne IV du tableau de Mendeleïev). [21]

Fig.13 Comment fonctionne une cellule photovoltaïque. [22]

Dans le silicium solide, chaque atome dit «tétravalent» est lié à quatre voisins, et tous les électrons de la couche périphérique participent aux liaisons. Si un atome de silicium est remplacé par un atome de la colonne V (phosphore par exemple), un de ses cinq électrons de valence ne participe pas aux liaisons; par agitation thermique, il va très vite passer dans la bande de conduction et ainsi devenir libre de se déplacer dans le cristal, laissant derrière lui un trou fixe lié à l’atome de dopant. Il y a conduction par un électron, et le semi-conducteur dit dopé


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de type n. Si au contraire un atome de silicium est remplacé par un atome de la colonne III (bore par exemple) à trois électrons de valence, il en manque un pour réaliser toutes les liaisons, et un électron peut rapidement venir combler ce manque et occuper l’orbitale vacante par agitation thermique. Il en résulte un trou dans la bande de valence, qui va contribuer à la conduction, et le semi-conducteur est dit dopé de type p. Les atomes tels que le bore ou le phosphore sont donc des dopantsdu silicium. Les cellules photovoltaïques sont assemblées pour former des modules.

3-3 Systèmes et applications

Un système PV peut être connecté au réseau (avec une gamme de puissance de 100 watts à plusieurs mégawatts) ou être utilisé comme un système autonome (allant de quelques milliwatts à plusieurs kilowatts) avec ou sans support de stockage. Grid-connected systèmes et des systèmes autonomes sont très différents, mais tout aussi possible pour une utilisation à grande échelle. Grid-connected générateurs les plus susceptibles d'apporter une contribution substantielle, en termes quantitatifs, à l'approvisionnement énergétique durable en Europe. Systèmes autonomes, D’autre part, pourrait faire une différence importante à beaucoup de gens dans les pays en développement. Même si la totale quantité d’électricité produite par des systèmes autonomes devaient être modeste, [23] ces systèmes jouent un rôle clé en fournissant des services essentiels tels que l’éclairage, le refroidissement, les télécommunications, pompage de l’eau et l’assainissement ; etc.

3-3-1 Systèmes raccordés au réseau

Générateurs décentralisés: En raison des caractéristiques (modulaire, calme, pas de pièces mobiles, peu d'entretien, pas d'émissions, etc.) de systèmes PV sont très bien adaptés pour l'intégration dans les bâtiments et les infrastructures telles que des objets tels que des écrans antibruit. Ces applications décentralisées faire PV de la source d'énergie renouvelable de choix pour les régions densément peuplées et les pays. Le potentiel technique du photovoltaïque intégré est grand; par la pleine utilisation de la surface disponible (toitures, façades, etc.) pays de l'UE pourrait générer une quantité d'électricité comparable au totalla consommation. Même si cette comparaison est quelque peu irréaliste, en raison de l'inadéquation entre la production et la demande, il souligne l'importance de la production décentralisée.

Centrales électriques: Sur des zones dédiées, grandes "basés au sol" des centrales électriques peuvent être mis en œuvre. Aujourd'hui, les systèmes varient de quelques centaines de kilowatts-crête à plusieurs mégawatts-crête, mais les systèmes à très grande échelle dans la gamme de puissance jusqu'à un gigawatt


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heures de pointe sont à l'étude ou même en cours de préparation. Ces systèmes peuvent être basés sur les communications fixes de suivi solaire (ou) des modules plateau ou sur le soleil de suivi modules concentrateur. L'électricité produite peut être injectée dans le réseau ou utilisés par exemple pour la production d'hydrogène à venir.

Des analyses détaillées du potentiel pour le prix Réduction [24], [25] ont montré que les prix du système peut être réduite à 3,5 €/W en 2010, 2 €/W en 2020 et moins de 1 €/W dans le long terme (au-delà de 2030). Des études sont menées pour déterminer le prix le plus bas possible. Cette connaissance est importante pour la compétitivité des marchés de l'électricité photovoltaïque dans l'avenir en vrac. Depuis les comptes BOS pour environ 40% du coût du système clé en main, des réductions de coûts drastiques sont nécessaires dans ce domaine ainsi que la réduction des coûts des modules. Deux sujets nécessitent une attention particulière: les onduleurs et de montage renforcement de l'intégration de modules.

3-3-2 Les systèmes autonomes

Stand-alone systèmes PV sont souvent l’option préféré pour des applications à haute valeur ajoutée comme l’accès des populations rurales à l’électricité. Bien que de nombreux bien conçus, des systèmes bien conçus et bien entretenus fonctionnent conformément aux attentes la plupart du temps, et des améliorations significatives dans la fiabilité du système et la disponibilité sont essentiels pour que les systèmes photovoltaïques sont de devenir une technologie clé pour les applications hors réseau. La robustesse, la facilité de réparation, la disponibilité des pièces de rechange et tous les faibles besoins d'entretien de jour sont essentiels, tout comme la nécessité d'une compréhension approfondie de l'interaction entre les utilisateurs et le matériel du système.

Stand-alone systèmes PV sont déjà en mesure de rivaliser avec d'autres sources d'électricité tels que les générateurs diesel, mais une nouvelle diminution des coûts de faciliter leur utilisation sur une échelle beaucoup plus grande. En raison de la vaste gamme de types de systèmes autonomes, les prix (par exemple, par W) diffèrent considérablement. Par rapport aux systèmes connectés au réseau spécifiques, les coûts sont généralement plus élevés en raison d'une plus vaste BOS-part, mais cette comparaison ne tient pas compte des différents environnements d'exploitation.


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3-3-3 Applications

Les systèmes photovoltaïques sont utilisés dans plusieurs formes (voir figure 14) :

Applications à la consommation: montres, calculatrices, lampes de jardin, des dispositifs d'alarme, etc.

Les applications industrielles: relais de télécommunication, la protection cathodique, les télémesures, et toutes les applications pour lesquelles la consommation électrique est faible par rapport à la connexion au réseau comme parcomètres même dans les villes, ou des téléphones d'urgence le long des routes.

Logements à distance dans les pays industrialisés: des milliers de logements en Europe sont trop loin de la grille pour être connecté, mais ils ne peuvent bénéficier de PV produit de l'électricité pour l'éclairage, la télévision, la réfrigération, etc.

L'électrification rurale décentralisée (ERD) dans les pays en développement: les préoccupations environ 1,7 milliard de personnes dans le monde selon les chiffres officiels de l'AIE. DRE vise à répondre:

• Les besoins de base: eau potable, eau pour le bétail, de réfrigération et d'éclairage pour un dispensaire.

• Amélioration de la qualité de la vie: l'éclairage résidentiel, le service téléphonique, la radio et la télévision et l'éclairage de la communauté (l'éclairage des rues, des écoles, des salles de réunion, etc).

• motorisation à petite échelle pour le développement: de pompage pour l'irrigation agricole, la culture maraîchère, l'entreposage, la motorisation des moulins, des presses, l'artisanat, etc.

La capacité de PV pour être utilisé dans certaines applications les conditions économiques actuelles et technique dépend de la localisation géographique et des zones climatiques, ainsi que le coût. Générateurs PV sont généralement une bonne solution pour les besoins de base dans les applications en milieu rural afin d'améliorer le niveau de vie. Pour résoudre les problèmes liés à l'intermittence et de la dispersion, des solutions hybrides peuvent être mises en œuvre combinant l'utilisation de toute la gamme des énergies renouvelables, solaire, hydroélectricité, éolien dans les zones côtières, et la biomasse. Réduction des coûts et des performances accrues PV fera en sorte que l'adoption dans tous les marchés est accrue à l'avenir. [26]


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Tour commercial Station météo

Relais télécommunication(Canada) Lampe solaire

Lampe de poche sac à dos (transport de matériel électronique)

Photovoltaïque spatiale

Fig.14 Applications photovoltaïques.


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4- Les matériaux de la conversion photovoltaïque

Il existe divers matériaux à même de mettre en œuvre l’effet de conversion photovoltaïque. Chacun d’entre eux est susceptible de donner naissance à une filière industrielle et, en fonction des progrès de la recherche, de s’imposer sur tous les autres. Votre rapporteur ne se risquera pas à désigner celle qui aurait la faveur des pronostics, les plus grands industriels du secteur hésitant eux-mêmes sur la méthode la plus rentable et la plus prometteuse à terme.

Les méthodes de production photovoltaïque se répartissent en familles enfonction de la technologie employée. Chacune possède ses avantages et sesinconvénients, et on se gardera bien d’une focalisation excessive sur la question des rendements. Ceux-ci sont d’ailleurs toujours entendus en Wc (puissance crête), c'est-à-dire dans des conditions d’exploitation optimales et rarement réalisées d’éclairement de mille watts par mètre carré, de température de 25 °C et d’air masse de 1,5 (soit le spectre de la lumière solaire après avoir traversé une épaisseur d’air correspondant à 1,5 fois l’épaisseur de l’atmosphère).

D’autres critères doivent entrer en compte : les coûts économiques deproduction naturellement, mais également le coût environnemental et social et lesrisques induits sur la santé humaine, l’emprise foncière nécessaire, l’adaptabilité àdes conditions d’ensoleillement plus ou moins favorables, la prise au vent dans laperspective d’une intégration sur des toitures, la souplesse du matériau, la couleurplus ou moins naturelle et esthétiquement acceptable du produit final, etc.

On sépare traditionnellement les technologies existantes en trois grandes familles, ou plutôt en trois générations. Le silicium cristallin constitue la filière historique, la plus répandue à l’heure actuelle et celle dont les produits sont le mieux identifiés. Plus récemment sont apparues les technologies de couches minces, plus fines comme leur nom l’indique, et dont la part de marché semble promise à une augmentation rapide. Les cellules polymères photovoltaïques seront mentionnées pour information dans la mesure où leurs performances ne peuvent encore être observées que dans des conditions expérimentales et qu’elles ne constituent qu’une alternative à long terme. On fera également cas des concentrateurs destinés aux centrales, destinés à suivre la course solaire et à exposer en permanence des cellules extrêmement onéreuses et à très fort rendement.


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4-1 La première génération : Silicium Cristallin

La production de modules photovoltaïques s’est traditionnellement opérée à partir de silicium (Si), ce qui explique que cette filière représente encore l’essentiel de la production d’équipements solaires, soit 80 % à 90 % du marché.

4-1-1 Le silicium : usage, avantages et inconvénients

Le silicium est produit par réduction à partir de silice, notamment à partir du sable et du quartz. Il est utilisé de longue date dans la conception du verre et il tient un rôle important dans les nouvelles technologies, notamment dans lesappareils électroniques ainsi que, bien sûr, dans les applications photovoltaïques.

Même s’il n’existe pas à l’état libre dans la nature, la question de sadisponibilité ne se pose pas. C’est en effet après l’oxygène l’élément le plusabondant dans la croûte terrestre, représentant plus du quart de sa masse. Sa production à destination de l’industrie solaire apparaît cependant relativementcoûteuse car elle exige un matériau purifié à l’extrême (plus de 99,99 %). Il convient dans un premier temps de réaliser un silicium dit de qualité métallurgique, pur à 98 %, obtenu à partir de galets recelant du quartz, le sable n’est jamais employé par l’industrie. Une seconde étape permet d’accéder au silicium de qualité photovoltaïque par la conversion mentionnée ci-dessous (voir figure 15). Longtemps l’industrie s’est satisfaite des rebuts de la production électronique, plus exigeante encore (pureté requise de 99,9999 %).

Fig.15 Le cycle du Silicium


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L’insertion dans le cycle industriel s’opère sous la forme de lingots deSilicium, de section parfois ronde et plus fréquemment carrée, eux-mêmes débitésen blocs pour un transport facilité. La phase suivante consiste à scier les blocs enfines plaques de 0,1 à 0,4 millimètre d’épaisseur. La dénomination communémentadmise les désigne comme des wafers, votre rapporteur privilégiera le terme pluscompréhensible de plaquettes.

Ces plaquettes sont ensuite traitées de façon à réaliser l’effet photoélectrique précédemment décrit grâce à des éléments tels que le phosphore, l’arsenic, l’antimoine ou le bore. Une grille conductrice est apposée à l’avant pour relier l’ensemble à des contacts électriques. Une couche antireflets déposée à l’avant complète la fabrication de la cellule photovoltaïque. Il ne reste alors plus qu’à connecter les cellules entre elles dans l’ordonnancement souhaité pour obtenir la puissance et la tension souhaitée, et à encapsuler le tout dans un vitrage étanche pour obtenir le produit final, le module photovoltaïque.

La production des équipements photovoltaïques nécessite de l'énergie. Votre rapporteur a déterminé au cours de ses auditions qu'un module photovoltaïque doit fonctionner entre une et trois années pour que sa production électrique équilibre la quantité d’énergie qui a été nécessaire à sa propre fabrication. C’est le temps de retour énergétique du module, qui a souvent été avancé comme argument pour déqualifier le caractère propre et renouvelable de l’énergie photovoltaïque. Il ne peut être retenu désormais, les systèmes conçus jouissant d’une durée de vie normalement supérieure à vingt ans et affichant par conséquent un bilan énergétique largement positif.

Deux caractéristiques déterminantes de la filière du silicium doivent être mentionnées à ce stade, l’une de nature physique, l’autre économique. Les qualités optoélectroniques du matériau se révèlent médiocres en ce que sa structure de bandes électroniques se traduit par une grande longueur d’absorption. La réception du spectre solaire nécessite par conséquent une épaisseur de silicium d’une centaine de microns. Cette longueur semble infime à un œil non averti, mais elle est importante en termes électroniques car elle laisse un temps conséquent aux électrons et aux trous pour se recombiner pendant leur trajet respectif entre les pôles. Pour éviter des pertes rédhibitoires, on l’a dit, la qualité du cristal comme la pureté du matériau employé se doivent d’être irréprochables. Or le débitage des blocs en plaquettes génère obligatoirement des rebuts importants, accroissant sensiblement les coûts de production.

L’autre caractéristique de la filière tient à sa dépendance envers la matière première qu’elle requiert, le silicium, qui représente entre le tiers et la moitié du coût total d’une cellule. Quoique celui-ci abonde dans la nature, la rapide


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croissance de l’industrie photovoltaïque a créé une demande que les faibles capacités de l’offre mondiale, jusqu’alors assise sur la récupération des déchets laissés pour compte par l’industrie électronique, laquelle utilise un silicium plus purifié encore, ne pouvaient satisfaire. Le modèle économique est de fait devenu caduc lorsque la production photovoltaïque a mobilisé trente mille tonnes de silicium par an, soit plus que l’industrie électronique elle-même. Cet excès de demande a généré deux effets contraires.

D’une part, des spéculateurs se sont emparés du marché, multipliant les effets de la pénurie laquelle trouvait déjà une source conjoncturelle dans l’explosion sans lendemain des productions espagnoles. Alors que le kilogramme de silicium s’échangeait à quelques dollars au début des années 2000, il a dépassé en novembre 2008 les 400 dollars (voir Fig.16). Des activités de recherche ont été lancées en réaction pour réduire la masse de silicium nécessaire à la conception d’une cellule, réduisant l’épaisseur des plaquettes entre cent et deux cents microns.

D’autre part, cette hausse des prix a rendu le marché attractif pour de nouveaux industriels, inaugurant une filière de silicium solaire distincte du monde de l’électronique. Une soixantaine de producteurs de silicium solaire ont surgi ces deux dernières années, essentiellement en Chine, alors que jusque-là sept entreprises concentraient 90 % de la production mondiale (Hemlock, Wacker, REC, Tokuyama, MEMC, Mitsubishi et Sumitomo). Succédant à la pénurie qui régnait, l’offre de silicium sera excédentaire vers 2010 et permettra aux fabricants de cellules de davantage négocier leurs coûts : la production double en 2009 alors que la demandeaugmente seulement du tiers. D’autres l’entame d’une transition technologique vers l’utilisation d’un silicium de qualité métallurgique, pour aboutir à des résultats légèrement moins performants que compensent des coûts réduits.

Fig.16 La production, demande et prix du silicium


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4-1-2 Le silicium monocristallin

Les monocristaux sont fabriqués par la fusion de silicium de grande pureté puis des lingots de silicium de section ronde sont formés et sciés en tranche (plaquettes) de 0,2-0,3 mm d’épaisseur. Ces tranches formant la base de la cellule, sont disposées les unes à côté des autres pour constituer un module comprenant des espaces vides inutiles. C’est pourquoi, afin d’intégrer plus de cellules dans un module, les cellules rondes sont taillées en forme plus ou moins carrée. D’autres traitements chimiques (dopage des faces des cellules, pose d’une couche anti-reflet) ainsi que la pose de contacteurs (grills collectrices) sur les faces avant et arrière complètent le processus.

Ces cellules fabriquées en série ont des rendements compris entre 13 et 17%. Bien que leur fabrication demande plus d’énergie et de temps que les cellules polycristallines, elles donnent les rendements les plus élevés parmi tous les types de cellules. Ces cellules ont une dimension de 5’’ ou 6’’ avec des arêtes de 125mm (1 pouce correspond à 25,4 mm).

Fig.17 Le silicium monocristallin

Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme est d’un coût élevé.

4-1-3 Le silicium polycristallin

Les cellules sont également fabriquées par la fusion : le silicium brut est fortement chauffé puis refroidi de façon contrôlée dans un moule. Les cristaux solidifiés s’orientent de façon irrégulière. Les lingots de silicium de section carrée sont sciés en tranches de 0.3 mm d’épaisseur et leur couleur bleu résulte de la couche anti-reflet (couleur qui réfléchit le moins la lumière et l’absorbe le plus). Des traitements chimiques ainsi que la pose des contacteurs complètent le processus de fabrication.


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Ces cellules fabriquées en série ont des rendements compris entre 11 et 15 %, mais cependant moins bon que pour le monocristallin.

Ces cellules ont une dimension de 5’’ ou 6’’ avec des arêtes de 125mm ou 152mm.

Fig.18 Le silicium polycristallin

Pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs cristaux. Ce genre de cellule est également bleu, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux.

4-2 La deuxième génération : Couches minces

Les inconvénients physiques du silicium cristallin ont encouragé l’orientation de la recherche vers la découverte de matériaux de substitution. Elle a particulièrement privilégié les couches minces, c'est-à-dire le dépôt sur un substratde matériaux semi-conducteurs. L’opération de dépôt elle-même constitue un véritable enjeu technologique et plusieurs méthodes plus ou moins avancées coexistent à l’heure actuelle : l’évaporation sous vide, la pulvérisation cathodique, l’électro-dépôt ou encore la sérigraphie. L’avenir proche dira sans doute quelle technique porte les meilleures perspectives de développement.

Toutefois, les applications possibles suscitent un fort intérêt : libérées de la contrainte d’épaisseur qui frappe le silicium cristallin, les couches minces pourraient s’adapter à un grand nombre d’objets de la vie quotidienne dans le cadre d’équipements bivalents.

Parmi l’ensemble des matériaux envisagés, la plupart ont révélé un excès de défauts cristallins rendant impossible leur transformation en cellules photovoltaïques. Trois filières semblent finalement en passe de s’imposer.

La première utilise des formes modifiées du silicium, formes amorphes ou polycristallines. La seconde met en œuvre le tellurure de cadmium. La troisième enfin procède à des combinaisons à partir de l’indium. Toutes appellent l’emploi de surfaces de verre qui représentent une part non négligeable du coût final, mais celui-


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ci demeure suffisamment bas pour poursuivre le développement malgré des performances moindres.

4-2-1 Les couches minces de silicium

La combinaison du silicium et d’hydrogène a permis la découverte d’un matériau à la fois semi-conducteur et désordonné, le silicium amorphe, doué de faibles qualités électroniques mais d’excellentes propriétés optiques. En effet, en dépit d’une mobilité des électrons en son sein bien plus faible que dans le silicium cristallin, une épaisseur inférieure au micron suffit à absorber le spectre solaire.

De plus, son procédé de fabrication plasma permet de le déposer sur des supports très variés, y compris sur des polymères flexibles, ouvrant ainsi la voie à quantité d’applications industrielles la cellule, de couleur grise, se retrouve fréquemment intégrée dans des calculatrices solaires par exemple. La filière a cependant durement été frappée lorsqu’il s’est avéré que le silicium amorphe voyait son rendement décroître à mesure de son utilisation et n’atteignait donc plus les performances promises au moment de la vente. Il semble toutefois que cette baisse d’efficacité ne soit pas permanente et qu’une stabilisation se produise à terme.

Le silicium amorphe présente des rendements faibles en plein soleil, de l’ordre de 8 %, qui s’érodent à environ 7 % au cours des premières années. Une production photovoltaïque significative réclame par conséquent des surfaces importantes. Un coût de revient avantageux, une fabrication peu énergivore et une performance accrue dans des conditions d’éclairement faible ou diffus peuvent compenser ces défauts et désigner cette technologie pour l’équipement des régions les plus nuageuses.

Fig.19 Le silicium amorphe

Il est également envisageable de marier la technologie du silicium amorphe avec les cellules traditionnelles afin de réunir leurs qualités et de minimiser leurs handicaps. En effet, l’amorphe absorbe correctement la couleur bleue et forme une multijonction efficace avec les performances du cristallin sur le rouge. On pourrait ainsi approcher les 20 % de rendement, pour un coût néanmoins bien plus élevé que celui d’une cellule classique. L’association de silicium amorphe et de


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silicium micromorphe dans des couches minces dites tandem poursuit la même logique, comme les cellules triple jonction à très haut rendement.

4-2-2 Le tellurure de cadmium (CdTe)

Le tellurure de cadmium affiche un rendement légèrement supérieurà celui du silicium amorphe (10 %) mais toujours bien en deçà des cellules traditionnelles. Cette voie technologique bénéficie d’un avantage notable en ce qu’elle est facile à synthétiser et que ses coûts s’avèrent tout à fait abordables. L’entreprise américaine First Solar se trouve en quasi monopole sur la filière, produisant 500 MW en 2008 et comptant parmi les acteurs majeurs du marché photovoltaïque toutes technologies confondues.

Le matériau souffre pourtant de handicaps importants. D’abord, les chercheurs ne sont pas parvenus à élever son rendement en laboratoire, qui plafonne depuis 2001 aux alentours de 16 %. Il est probable que les capacités de conversion théoriques soient bien plus limitées que pour le silicium et les autres types de couches minces.

Ensuite, contrairement au silicium, le tellurure apparaît comme un composant dont la rareté est à même d’entraver le développement commercial du produit. Il est ainsi moins répandu que des métaux précieux comme le platine.

Dans l’état technologique actuel, un gigawatt de modules photovoltaïques en tellurure de cadmium nécessiterait plus de soixante tonnes de tellurure ; or la production mondiale annuelle est de l’ordre de deux cent cinquante tonnes.

Ce dernier chiffre doit être il est vrai considéré avec circonspection car le produit n’est pas collecté pour lui-même mais comme résidu de traitement du plomb et du cuivre. D’autre part, on a identifié de riches gisements sous-marins et spatiaux dont on ne sait cependant s’ils seront ou non exploitables à brève échéance.

Enfin, la filière pâtit de son recours au cadmium, un élément qui n’existe pas sur Terre à l’état natif, mais dont la toxicité sous toutes les formes est identifiée depuis les années 1950. Il compte même parmi les six produits faisant l’objet de restrictions d’usage aux termes de la directive 2002/95/CE dite ROHS, bien que son composé utilisé dans la production d’énergie solaire n’y soit pas mentionné. On a identifié le cadmium comme source de fièvres, d’atteintes rénales et pulmonaires, ou encore de cancer du poumon. Il n’est pas absorbé par la peau et son voisinage sous forme solide ne provoque par conséquent aucun dommage ; sa vaporisation pourrait au contraire aboutir à des empoisonnements par inhalation.


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Pour des raisons de sécurité, le CdTe ne figure pas sur le marché du photovoltaïque à destination des particuliers. Il est plus employé par les fermes solaires, surveillées et préservées des risques d’incendie. Ayant assuré que les plaques de verre empêchent de toutes façons la libération du métal hors des cellules, First Solar s’est engagé à recycler ses modules en fin de vie afin de prévenir tout danger de diffusion du cadmium dans le milieu naturel. Cet engagement, s’il doit être salué, suppose néanmoins pour l’entreprise une pérennité que nul n’est en mesure d’assurer aujourd’hui.

4-2-3 Le diSéléniure de cuivre-indium (CIS)

Les cellules élaborées à partir de cuivre, d’indium et de sélénium devraient en bonne chimie être désignées sous le sigle CuInSe2. En pratique, le monde photovoltaïque a retenu le terme plus concis de CIS pour nommer ces couches minces qui semblent les plus prometteuses en l’état actuel de la technologie. Sa bande interdite faisant défaut, on lui allie souvent du gallium (Ga) pour optimiser ses qualités et accroître la tension disponible, de sorte qu’on rencontre parfois également l’abréviation CIGS.

Cette technologie atteint un rendement proche de 13 % et elle détient de bonnes perspectives d’avenir avec des réalisations de 20 % en laboratoire.Sa flexibilité néanmoins reste encore à améliorer. Une hétérojonction s’impose pour permettre le mouvement électronique, généralement à partir de sulfure de cadmium ou, pour éviter ce dernier, d’oxyde de zinc. Moins performante que le silicium traditionnel, cette technologie présente toutefois un prix deux fois moindre. Des sauts technologiques à venir devraient améliorer encore ce rapport qualité/prix.

Enfin, une autre qualité remarquable dans une approche globale est contenue dans les tentatives mises en œuvre pour teinter les cellules de couleurs spécifiques, ce qui pourrait permettre une meilleure insertion dans les paysages et une plus grande acceptabilité sociale.

La filière se heurte cependant à un écueil similaire à la précédente, à savoir la rareté de l’indium, dont la quantité sur Terre équivaut seulement au triple de celle de l’argent. Les chercheurs interrogés par votre rapporteur ont cependant apporté des réponses particulièrement rassurantes à cette inquiétude.

Il apparaît en premier lieu que l’indium ne fait pas l’objet de forages spécifiques et qu’il est recueilli lors du raffinage du minerai de zinc ; c’est ainsi que la production annuelle d’argent se monte au triple de celle de l’indium pourtant lui même trois fois plus présent dans la nature. En second lieu, la substituabilité d’un autre matériau ne semble pas poser problème, du moins théoriquement, et même les projections de


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ressources les plus pessimistes devraient permettre à la recherche d’accéder à la mise en pratique sans difficultés excessives.

La dépendance de la filière à l’indium pourrait également faire craindre à plus court terme des fluctuations de marché comparables à celle qu’a connues le silicium dans la période récente. Mais la technologie de couches minces semble nettement moins exposée du fait de la faible quantité de matériau employée dans une cellule, d’une part, et de la part importante que représente le vitrage dans le coût final, d’autre part.

4-2-4 Les cellules à base d’arséniure de gallium (GaAs)

Il convient de distinguer deux types de cellules incorporant l’arséniure de gallium. D’un côté, les cellules de « type III-V » dont le composant principal est l’arséniure de gallium (sous sa forme mono ou polycristalline). Ces cellules offrent de hauts rendements de photoconversion (de l’ordre de 18 à 25%). De l’autre côté, les cellules multijonctions (de type GaInP/GaAs/Ge) qui constituent les cellules les plus efficaces. Ces dispositifs à multijonctions développent des rendements de l’ordre de 32% mais présentent un coût très élevé qui limite leur utilisation à certains domaines comme l’aéronautique. La société Spectrolab a obtenu fin 2006, une efficacité de 40,7% pour un dispositif multijonction (avec concentrateur) à base d’arséniure de gallium.

Depuis 1993, Green publie régulièrement un récapitulatif des meilleurs efficacités confirmées des cellules photovoltaïques. Le tableau 5 reprend une partie des résultats obtenus jusqu'à maintenant pour les cellules photovoltaïques inorganiques.

Tableau .5 Efficacités confirmées de cellules photovoltaïques inorganiques (illumination 1000 W.m-2 sous AM1.5). [27]


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4-3 La troisième génération : polymères et concentrateurs

La troisième génération de cellules photovoltaïques met en jeu des polymères organiques voire inorganiques. Elles reposent sur des macromolécules dont les procédés de fabrication sont bien moins consommateurs d'énergie que ceux mis en œuvre pour les cellules traditionnelles à base de semi-conducteurs minéraux. Leur coût de revient très faible se double de caractéristiques particulièrement attrayantes : plus légères et moins fragiles, leur nature flexible laisse même envisager des matériaux souples en polymères organiques ou en silicones, voire des fibres textiles et des encres photovoltaïques.

D’une durée de vie forte courte, elles n’offrent pour l’instant que des rendements de moins de 5 % en laboratoire et devront donc être améliorées avant de pouvoir servir de base au développement d’une filière industrielle.

A plus brève échéance, les systèmes à concentration se voient destinés aux centrales photovoltaïques. Installés sur des dispositifs mécaniques permettant de suivre la course du soleil et de bénéficier ainsi d’un ensoleillement maximal, ils se composent d’un dispositif optique concentrant la lumière solaire sur des cellules de tailles restreintes offrant un rendement particulièrement élevé tout en maintenant une température inférieure au point de fusion de la matière.

Particulièrement prometteurs dans les zones à fort ensoleillement direct (car l’ensoleillement diffus ne peut faire l’objet d’une concentration), ils pourraient atteindre des performances de 50 % grâce aux qualités des cellules multijonction.

Le coût de réalisation de ces équipements excède de beaucoup celui des cellules traditionnelles, mais la masse d’énergie produite en contrepartie suffirait à restaurer la rentabilité du système.

4-3-1 Cellules photovoltaïques organiques

Face à la technologie utilisant les matériaux inorganiques, les cellules solaires à base de composés organiques connaissent un développement considérable. A ce jour, les meilleurs rendements sont de l’ordre de 5% et sont obtenus pour des cellules utilisant un polymère donneur, le poly (3-hexylthiophène) (P3HT) et un matériau accepteur, le (1-(3- méthoxycarbonyl)-propyl-1-1-phényl-(6,6) C (PCBM), analogue soluble du fullerène. Les rendements observés sont très inférieurs à ceux obtenus avec des cellules à base de silicium.

Cependant l’utilisation de matériaux organiques permet d’envisager la réalisation de cellules solaires de grandes dimensions sur des substrats flexibles,


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par des procédés à faible coût (utilisant les matériaux organiques sous forme d’encre ou de peinture par exemple).

Les années 1970 constituent une période de progression importante du développement des cellules solaires organiques, avec une augmentation des rendements de photoconversion relativement conséquente au cours des ans. A titre d’exemple, en 1974, Morel et al réalisent une cellule de type Schottky Aluminium/Phthalocyanine de Magnésium/Argent, qui présente un rendement inférieur à 10-3 % [28]. En 1978, ils remplacent la phthalocyanine par une merocyanine, et obtiennent une cellule offrant un rendement de l’ordre de 0,7%.[29]

Suite à ces travaux, Chamberlain étudie aussi les cellules Schottky à base de merocyanine, en faisant varier la nature des merocyanines utilisées [30]. Il s’intéresse également aux effets de dopage et montre qu’il est nécessaire d’exposer les cellules à l’air pour observer un effet photovoltaïque. Il montre encore qu’un dopage des cellules avec de l’iode entraîne un accroissement important de l’efficacité de photoconversion. [31]

En 1984, Garnier et al réalisent les premières cellules à base de polythiophène. Ces cellules de type Schottky utilisent du poly (3-méthylthiophène) généré de façon électrochimique, et incorporé entre une électrode d’or et une électrode d’aluminium. Sous irradiation de 1 mW.cm-2, les cellules donnent un rendement de l’ordre de 0,01%. [32,33]

Les cellules organiques peuvent être de plusieurs types :

Les cellules de type Schottky :

Ce type de cellule utilise un semi-conducteur de type p (ou n) pris en sandwich entre deux électrodes de métal. La zone active pour la conversion photovoltaïque se situe à l’interface entre une des électrodes métalliques et le semi-conducteur.

Fig.20 Cellules Schottky


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Les cellules hétérojonctions de type bicouche

Dans ce type de cellule, le matériau donneur d’électrons et le matériau accepteur sont organisés en couches distinctes (Fig. 20). De nombreux composés organiques peuvent être utilisés, aussi bien pour le matériau donneur que pour le matériau accepteur.

Cependant, ce système a pour inconvénient de présenter une surface de contact restreinte entre le donneur et l’accepteur, ce qui implique que le nombre d’excitons dissociés sera limité. Lors de l’absorption de photon, l’exciton formé doit migrer jusqu’à cette interface (pour pouvoir se dissocier et générer des charges). Or, la longueur de diffusion de l’exciton est généralement de l’ordre de 5 à 20 nm, ainsi seuls les excitons créés à cette distance de l’interface vont pouvoir se dissocier, ce qui limite les rendements de photoconversion.

Fig. 21 Schéma d’une CSO de type bicouche

En 1986, Tang réalise la première cellule photovoltaïque bicouche tout organique à haut rendement de photoconversion [34]. Cette cellule utilisant le 3,4,9,10-pérylène tétracarboxylique bisbenzimidazole PTCBI (comme accepteur d’électrons) et une phthalocyanine de cuivre CuPc (comme donneur d’électrons) a donné presque 0,95% de rendement (illumination 75mW.cm-2, AM2). Chacun de ces deux composés présente un système d’électrons π-conjugués nécessaire à la création et au transport de charges.

En 2001, Peumans et Forrest réalisent une cellule bicouche composée aussi de phthalocyanine de cuivre, mais dans laquelle le pérylène est remplacée par du C60 .Ils obtiennent un rendement de 3,6% (illumination 150 mW.cm-2) pour une cellule de 1 mm2. [35]


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Cellules Grätzel

Les cellules Grätzel, du nom de leur concepteur [36], (ou cellules sensibilisées par un colorant) ont un fonctionnement différent de celui décrit précédemment. Les fonctions d’absorption des photons et du transfert de charges y sont différenciées ; la partie qui permet d’absorber la lumière est un colorant (appelé sensibilisateur S) situé à l’interface entre une semi-conducteur (SC) de type n (dioxyde de titane TiO2) et un électrolyte (système redox, généralement I-3/I-). Lors de l’absorption d’un photon, le sensibilisateur passe de son état fondamental à l’état excité (S0 → S*) et est à même d’injecter un électron dans la bande de conduction du SC de type n. L’électron injecté traverse la couche de SC pour rejoindre le circuit externe et générer le courant. Le sensibilisateur (alors sous la forme S+) retourne à son état fondamental par l’échange trou/électron avec le système redox qui s’oxyde. Le système redox donne alors sa charge à la contre-électrode, ce qui lui permet de revenir aussi à son état fondamental.

Fig.22 Schéma de principe d’une cellule Grätzel

Actuellement, des rendements supérieurs à 11% (dans les conditions standards d’illumination AM1.5) ont été obtenus à partir de cellules utilisant des complexes de ruthénium comme colorant [37]. A cause du coût élevé des complexes de ruthénium mais aussi de leur toxicité, certains groupes travaillent au développement des cellules à colorant organique sans métaux [38,39]. Ces cellules développent des rendements de 5 à 8%.

Les cellules de type réseaux interpénétrés

Comme son nom l’indique, une cellule de type réseaux interpénétrés est une cellule dans laquelle le donneur et l’accepteur sont mélangés intimement (Fig. 23). La surface de contact entre le donneur et l’accepteur est ainsi plus étendue. De ce fait, la quasi-totalité des excitons sont à une distance telle de l’interface qu’ils vont pouvoir se dissocier. Cela a pour effet d’augmenter considérablement


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l’efficacité des cellules photovoltaïques. Ce type de structure permet cependant une recombinaison des charges plus importante à cause de l’interface accrue entre le donneur et l’accepteur et ce problème reste encore en suspens.

Fig.23 Schéma d’une CSO de type réseaux interpénétrés

En 1992, le groupe d’Heeger a montré un transfert d’électrons photoinduit entre le poly (p-phénylènevinylène) (PPV) et le fullerène (C60) [40]. Ce processus, schématisé sur la figure 14, est la base des cellules solaires de type réseaux interpénétrés.

Fig.24 Photogénération des charges dans une CSO de type réseaux interpénétrés


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5- Processus physiques de la conversion photovoltaïque dans les cellules solaires organiques

Nous détaillerons ici le processus de la conversion d’énergie lumineuse en énergie électrique dans le cas des cellules organiques de type hétérojonction. Elle fait intervenir plusieurs étapes (Figure 24) :

1er. L’absorption de photon et la génération d’exciton (1) :

Les photons incidents sont absorbés par les matériaux de la couche active. Pour avoir une efficacité maximum, il faut que le matériau actif ait un spectre d’absorption qui couvre au mieux le spectre d’irradiation solaire. L’absorption de photons par le matériau provoque l’excitation des molécules (avec le passage d’un électron de l’état fondamental à l’état excité). Dans cet état excité, la molécule peut se désexciter de manière radiative (fluorescence ou phosphorescence) ou non radiative. Si tel n’est pas le cas, le photon absorbé donne lieu à un exciton, qui peut conduire à une paire électron-trou.

2e. La diffusion de l’exciton (2) :

L’exciton créé diffuse dans le matériau. Pour pouvoir conduire ensuite à la génération d’électricité, cet exciton va devoir se dissocier à une interface entre le matériau donneur et le matériau accepteur. Sinon, il va se désexciter de manière radiative ou non radiative. La durée de vie d’un exciton est limitée et varie d’un matériau à l’autre. Sa longueur de diffusion varie de 5 à 20 nm en fonction de la nature du matériau et de la présence ou non de pièges dans le matériau.

3e. La dissociation de l’exciton (3) :

La dissociation des excitons en charges libres nécessite un champ électrique fort. Un tel champ peut être obtenu en appliquant une tension externe ou grâce à la différence de potentiel rencontrée à l’interface entre le matériau donneur et le matériau accepteur. En effet, ces deux matériaux possèdent des niveaux énergétiques différents, induisant un champ électrique local. Si l’exciton atteint cette interface, sa dissociation peut alors être observée.

4e. Le transport de charges et leur collecte (4) :

Les charges libres créées migrent à travers les matériaux actifs. Lors du transport, les charges peuvent se recombiner. Les charges ayant atteint les électrodes y sont collectées, générant ainsi un courant électrique. La mobilité des porteurs de charge doit être importante pour avoir une bonne efficacité de cellule. Dans le cas des polymères conjugués, la mobilité des porteurs de charge est assez faible ce qui nécessite d’utiliser des dispositifs de faible épaisseur. L’efficacité de la


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collecte de charges dépend, entre autres, de la nature de l’électrode utilisée (adéquation entre les niveaux d’énergie du métal et du semi-conducteur).

Fig.25 Schéma du fonctionnement général d’une CSO. [41]

6- La technologie actuelle de PV

6-1 Cellules solaires organiques : les avancées de la recherche

Les recherches n'en sont qu'à leur début et l'utilisation élargie des cellules solaires organiques semblent encore assez lointaine. Il n'en reste pas moins que les matériaux organiques présentent de réelles perspectives d'avenir dans le domaine des énergies renouvelables. Si jusqu'à présent le silicium, monocristallin, polycristallin ou amorphe, reste le matériau le plus utilisé pour la fabrication des cellules photovoltaïques, les cellules solaires organiques présentent de nombreux avantages potentiels. En effet, contrairement au silicium dont la production nécessite de très hautes températures, leur fabrication implique un faible coût financier et énergétique et un faible impact environnemental. De plus, leur mise en forme à l'aide de procédés en solution (par exemple à partir d'encres ou de peintures) permet de couvrir de grandes surfaces et des substrats flexibles (films, textiles etc.).

Si aujourd'hui les rendements obtenus avec les cellules organiques (5 %) sont loin de concurrencer les cellules solaires à base de silicium cristallin (15 %), l'accélération des recherches et des innovations pourrait rapidement rendre cette filière viable. La course au rendement est lancée entre différentes équipes de chercheurs du monde entier. Récemment, les chercheurs de l'équipe de Jean Roncaliau laboratoire d'Ingénierie moléculaire d'Angers (CNRS/Université d'Angers), ont


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réalisé une avancée importante avec une approche originale basée sur l'utilisation de molécules en remplacement des polymères traditionnellement utilisés dans les cellules solaires organiques. Cela va extrêmement vite, explique Jean Roncali. Les recherches s'intensifient et les progrès sont très rapides. Les matériaux organiques offrent un gros potentiel mais il faut beaucoup de travail.

6-2 La voie des cellules organiques

Utilisées d'abord dans le domaine de l'optique, les matériaux organiques suscitent l'intérêt du fait de leur faible coût de fabrication. En une dizaine d'années, les avancées scientifiques et technologiques se sont accélérées, menant à l'essor de l'électronique organique dont les premiers produits sont apparus récemment sur le marché (diode électroluminescente (OLED), transistors, écrans OLED…).Aujourd'hui, la filière des énergies renouvelables et du solaire photovoltaïque se penche sur ces matériaux prometteurs. En Europe, aux Etats-Unis ou en Chine, des équipes de chercheurs travaillent sur cette technologie. Des industriels se positionnent également de manière ambitieuse sur le sujet.

L'intérêt est avant tout économique : les produits organiques coûtent moins cher à produire que le silicium. Mais ce n'est pas la seule raison : étant donné que ces matériaux sont solubles, on peut les obtenir sous forme liquide (encres, peintures) et donc les imprimer sur des matériaux divers. Cela ouvre de nouvelles possibilités : en particulier la possibilité de réaliser des cellules solaires flexibles, explique Jean Roncali.

Ainsi, les cellules solaires organiques pourraient être utilisées pour des applications particulières : emballages, vêtements, écrans flexibles, recharge de téléphones cellulaires ou d'ordinateurs portables... Si aujourd'hui, la recherche n'ambitionne pas de concurrencer le silicium, à plus long terme, ces matériaux pourraient contribuer de manière significative à la conversion photovoltaïque de l'énergie solaire, à condition d'investir massivement dans la recherche de matériaux nouveaux plus performants et plus stables.


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7- Préparer l’avenir

7-1 Des difficultés à surmonter

Une des difficultés importantes qui limite le rendement des cellules solaires organiques réside dans les propriétés des matériaux actifs actuellement utilisés : les polymères conjugués. Si les cellules fabriquées à partir de ces matériaux atteignent des rendements de 5 %, l'utilisation de polymères conjugués pose un certain nombre de problèmes liés à la fois à leurs propriétés intrinsèques, à leur préparation et au contrôle de leur structure (distribution des différentes longueurs de chaînes de polymères dans le matériau).

L'équipe de Jean Roncali au laboratoire d'Ingénierie moléculaire d'Angers propose une autre voie : l'utilisation de molécules solubles en remplacement des polymères : les molécules sont des objets chimiques parfaitement définis, plus faciles à contrôler et à purifier.

Si aujourd'hui les rendements obtenus par les cellules solaires à base de molécules solubles sont encore modestes (1,7 %), les marges de progrès sont immenses : nous avons commencé il y a trois ans avec un rendement de 0,2 %, aujourd'hui nous sommes à 1,7 %, et même 2,5 % selon les résultats obtenus par une équipe américaine récemment. Les cellules à base de polymères qui affichent 5 % aujourd'hui ont commencé avec un rendement de 0,1 % il y a dix ans. Cela va extrêmement vite.

Encore faut-il mettre d'importants moyens dans la recherche… Il faudrait investir davantage dans la recherche fondamentale sur la conception de nouveaux matériaux ce qui n'est pas forcément le cas aujourd'hui en France. La Chine est un des pays qui investit le plus sur ce sujet. L'Allemagne, la Suède, les Pays-Bas aussi et la France est un peu à la traîne.


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8- Conclusion

Dans le domaine des nouvelles technologies pour l’énergie, le solaire photovoltaïque organique est en train de devenir un axe de développement industriellement fort maintenant qu’il existe une volonté de réduction de la consommation d’énergie fossile et des émissions de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, une recherche de base est indispensable pour valider et démontrer l’intérêt d’une filière plastique par un abaissement décisif des coûts (en termes de matériaux et procédés industriels) et pour lever les différents verrous technologiques identifiés à ce jour.

Les objectifs à court terme sont des rendements > 10% pour les cellules hybrides à colorants et >5% pour les cellules tout organique, une durée de vie > 10 années et à terme un coût inférieur à 0.1 $/Watt. A court terme, le marché visé est celui du jetable et du plastique ou tissus souples (imaginez utiliser votre manteau pour alimenter votre téléphone ou PC portable !).

Conscient de l’intérêt croissant dont bénéficieront les énergies renouvelables dans les dix prochaines années, il est impératif pour notre pays de prendre toutes les dispositions et mettre tous les moyens pour rattraper son retard dans ce domaine.

Le modèle des plantes et le biomimétisme

Chapitre 3


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1- Introduction

Allah nous a offert les créations de la nature en cadeau. Les imiter, les prendre pour modèle mènera l'humanité vers ce qui est vrai et juste. Pour certaines raisons, la communauté scientifique vient de réaliser que les créations conçues par la nature sont une ressource extraordinaire dont on doit se servir dans notre vie quotidienne.

De nombreuses publications scientifiques de référence admettent l'idée que les structures naturelles représentent une ressource considérable pour montrer le chemin vers la création supérieure à l'homme. Le magazine Nature l'exprime de la façon suivante : « Cependant les recherches fondamentales sur le caractère des mécanismes naturels, depuis l'éléphant jusqu'à la protéine, enrichissent le panel à partir duquel les créateurs et ingénieurs puisent leurs idées. Les possibilités d'étendre ce panel sont immenses ». [55]

L'utilisation correcte de cette ressource mènera certainement à un développement rapide des procédés technologiques. L'experte en biomimétisme Janine M. Benyus a déclaré qu'imiter la nature nous permettra de progresser dans de nombreux domaines tels que l'alimentation, la production énergétique, le stockage de l'information et la santé. Elle cite comme exemples les mécanismes inspirés par les feuilles qui fonctionnent à l'énergie solaire, la création des ordinateurs qui transmettent des signaux de la même façon que les cellules et les céramiques faites pour résister à de fortes pressions en s'inspirant de la nacre.

Ainsi, il est évident que la révolution biomimétique va profondément influencer l'humanité et nous permettre de vivre de manière encore plus confortable et aisée.

Aujourd'hui, les technologies découvrent les miracles de la création et le biomimétisme est seulement un des domaines qui met les extraordinaires créations des organismes vivants au service de l'humanité.


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2- Définition du biomimétisme

Le biomimétisme et la biomimétique visent à résoudre les problèmes en examinant puis en imitant ou en s'inspirant des modèles présents dans la nature.

Le biomimétisme est le terme utilisé pour décrire les substances, équipements, mécanismes et systèmes au moyen desquels les humains imitent les systèmes naturels et les créations, en particulier dans les domaines de la défense, de la nanotechnologie, de la robotique et de l'intelligence artificielle (également connue sous le sigle IA).

Le concept de biomimétisme, utilisé pour la première fois par l'écrivaine et scientifique du Montana, Janine M. Benyus, fut ensuite repris par d’auteurs et scientifiques. L'un d’eux raconte son travail ainsi que le développement de la biomimétique : Naturaliste et auteur de plusieurs guides sur la nature sauvage, elle a visité les laboratoires de nombreux chercheurs scientifiques qui prennent modestement les mesures nécessaires afin de révéler les secrets de la nature.

L’idée essentielle de la "biomimétique" est que nous avons beaucoup à apprendre du monde naturel en tant que modèle et guide. Ce que ces chercheurs ont en commun : le respect pour les créations réalisées par la nature et l'utilisation de ces créations pour résoudre les problèmes de l'humanité. [43]

Ce concept qui se répand à grande vitesse a séduit les scientifiques qui ont réussi à accélérer leurs propres recherches en s'inspirant d’uniques et parfaits modèles présents dans la nature. Les chercheurs scientifiques qui travaillent sur les systèmes économiques et les matériaux bruts dans le domaine industriel en particulier ont concentré leurs efforts afin de déterminer le meilleur moyen d'imiter la nature.

Les créations réalisées par la nature garantissent la meilleure productivité en fournissant un moindre effort et en utilisant un minimum de matériel. Elles sont capables de se réparer, sont compatibles avec leur environnement et sont totalement recyclables. Elles agissent en silence, sont d’apparence agréable et esthétique et sont source de longévité. Toutes ces qualités sont présentes dans les modèles à imiter. Le journal High Country News mentionne : "En se servant des systèmes naturels comme modèles, nous pouvons créer des technologies bien plus durables que celles utilisées aujourd'hui." [44]

Janine M. Benyus, auteur du livre « Biomimicry : Innovation Inspired by Nature » a pensé qu’il existait un besoin fondamental d'imiter la nature en tenant compte de ses perfections. Ci-dessous figurent des exemples qu'elle utilise pour défendre cette idée :


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- La capacité qu’ont les colibris de traverser le Golf du Mexique avec moins de 3 grammes de carburant,

- Comment les libellules sont plus manœuvrables que n’importe quel hélicoptère,

- Les systèmes de chauffage et de climatisation des nids de termites sont supérieurs à ceux inventés par l'homme en termes de consommation d’énergie et d'équipement,

- Le système de transmission à hautes fréquences des chauves-souris bien plus efficace que n’importe quel radar conçu par l’homme,

- Comment l'algue fluorescente combine différentes substances chimiques afin de produire de la lumière sans chaleur,

- Comment les poissons de l’océan Arctique et les grenouilles des zones tempérées reviennent à la vie après avoir été gelés sans que leurs organes subissent de dommages,

- Comment les lézards et les caméléons changent de couleurs et comment les pieuvres et les seiches changent à la fois de couleur et de forme en instant - afin de se confondre avec leur environnement,

- La capacité qu'ont les abeilles, les tortues et les oiseaux de se diriger sans carte,

- Comment les baleines et les pingouins plongent pendant de très longues périodes sans équipement spécifique,

- Comment la double hélice d’ADN stocke l’information de tous les êtres humains,

- Comment, grâce à la photosynthèse, les feuilles produisent 300 milliards de tonnes de sucre chaque année par réaction chimique.

Voilà juste quelques exemples des mécanismes naturels et des créations si fascinantes qui peuvent enrichir de nombreux domaines technologiques. Alors que nous accumulons l’information et que les possibilités technologiques augmentent, le potentiel de ces mécanismes et créations devient de plus en plus évident.

Au 19ème siècle, par exemple, la nature était imitée uniquement pour ses qualités esthétiques. Les peintres et architectes de l’époque, influencés par les beautés du monde naturel, recopiaient l'apparence externe de leur structure, mais plus ils observaient avec attention les détails, plus l’ordre immaculé de la nature devenait fascinant. Grâce aux extraordinaires créations réalisées par la nature et à


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leurs imitations, source de tant de bénéfices pour l'humanité, les scientifiques commencèrent à étudier les mécanismes plus en détail jusqu’à l'échelle moléculaire.

Les nouveaux matériaux, structures et machines développés grâce au biomimétisme peuvent être utilisés dans les nouvelles cellules solaires, les derniers robots et les futurs engins spatiaux. De ce point de vue, les créations réalisées par la nature ouvrent de nouveaux horizons.

2-1 Est-il l’avenir du développement durable ?

Le biomimétisme est ainsi, par définition, une démarche pluridisciplinaire qui consiste à étudier les modèles de la nature et à reproduire les propriétés essentielles des systèmes biologiques en vue de résoudre des problèmes technologiques. [45]

2-2 Qu’entend-on par biomimétisme ?

Le biomimétisme est une méthode innovante cherchant des solutions soutenables en s’inspirant de concepts et de stratégies ayant fait leurs preuves dans la nature, comme par exemple le capteur solaire imitant la feuille végétale.

Le but est de créer des produits, processus et protocoles de nouvelles lignes de conduite- mieux adaptés à une durée de vie prolongée sur terre. De par le monde, ses adeptes apprennent à : cultiver les aliments comme une prairie, filer les fibres comme une araignée, maîtriser l’énergie comme une feuille, se soigner comme un chimpanzé, compter comme une cellule et gérer les affaires (ou les villes) comme une forêt millénaire. Leurs modèles sont des organismes qui fonctionnent sans faire appel au principe de fabrication « chaleur-pression traitement », des écosystèmes qui marchent à l’énergie solaire et aux interactions, qui créent des opportunités plutôt que des déchets. Ils se posent sans cesse les questions : que ferait la nature dans ce cas ? Que ne ferait-elle pas ? Pourquoi ? Ou pourquoi pas ?

Non seulement le biomimétisme peut aider l’espèce humaine à prolonger son passage sur la planète, mais il peut changer notre manière d’évaluer la nature qui nous entoure.

Il nous encourage à la considérer comme une source de sagesse et un guide plutôt que comme seule source de bien. [46]


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3- Le biomimétisme comme méthode innovante

Le biomimétisme peut nous aider à dégager un mode de vie plus attrayant, plus favorable à la vie.

L’imitation consciente de l’esprit nature par l’homme est une stratégie de survie, une voie vers un avenir soutenable. Plus notre monde fonctionne comme le monde naturel, plus nous nous assurons de pouvoir continuer à partager notre habitat.

Plus les gens apprennent de leur modèle, plus ils désirent le protéger.

Le biomimétisme peut modifier notre façon de voir et d’appréhender le monde. Dans le rôle de l’étudiant qui plutôt qu’étudier un organisme préfère apprendre de lui, nous approfondissons notre respect de la nature. Le respect mène à la gratitude, et de la gratitude naît le désir ardent de protéger la nature qui nous entoure. [46]

4- Les types de problèmes que l’on peut résoudre par biomimétisme

Le biomimétisme recherche dans la nature ses conseils particuliers : Comment faire croître sa nourriture ? Comment maîtriser son énergie ? Comment fabriquer ses outils ? Comment préserver sa santé ? Comment conserver ses acquis ? Comment monter une affaire sans mettre en péril le capital nature de départ ?

Prenons une de ces catégories : les matériaux. Jusqu’à présent, nous fabriquons selon le principe de « chaleur, pression et traitement ». Le kevlar par exemple, utilisé pour les gilets pare-balle, est le matériau high-tech par excellence. Rien n’est plus résistant ou solide. Comment le fabrique-t-on ? Des molécules provenant de la pétrochimie sont polymérisées sous pression et à haute température (quelques centaines de degrés Fahrenheit) en présence d’acide sulfurique concentré. Les fibres sont alors alignées selon le schéma souhaité sous haute pression. L’énergie nécessaire est extrêmement importante et les sous-produits odieusement toxiques.

La nature suit une approche bien différente. Puisque les organismes fabriquent des matériaux tels l’os, le collagène ou la soie dans leur propre corps, il est inutile de « chauffer, presser et traiter ». L’araignée par exemple produit une soie battant largement la résistance et l’élasticité du kevlar. A titre de comparaison, elle est cinq fois plus solide que l’acier ! De plus l’araignée la fabrique dans l’eau, à


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température ambiante, sans haute pression, chaleur ou agents chimiques. Et surtout, elle ne dépend d’aucun forage pétrolier ; elle capture des mouches et des criquets d’un côté et produit ce miraculeux matériau de l’autre. Si besoin est, elle peut même manger sa vieille toile pour en fabriquer une neuve.

Imaginez ce qu’un tel processus amènerait à notre industrie de la fibre. Une matière première renouvelable, un produit de grande qualité et peu de consommation d’énergie et de production de déchets. Nous avons assurément beaucoup à apprendre de ce petit être qui tisse sa soie depuis 380 millions d’années.

En réalité, les organismes ont réussi à faire tout ce dont nous avons besoin, sans recourir aux énergies fossiles, sans polluer la planète ou hypothéquer leur futur. Quel meilleur modèle espérer? [46]

5- Le biomimétisme : allé plus loin que les apparences, imiter les principes

Comme cela a été montré en ce qui précède, imiter la nature s’est souvent résumé à la reproduction des formes observées par les hommes, de façon volontaire ou non. Cependant, les animaux, les végétaux, les microbes mêmes, passés à la loupe des biologistes, ne se résument pas à leurs apparences aussi belles ou intéressantes qu’elle soient, mais ils s’intègrent dans l’ensemble plus vaste que constitue un écosystème, où ils vivent en harmonie, sans polluer, avec la plus basse consommation possible d’énergie possible, résolvant de façon à la fois simple et perfectionnée les problèmes que nous-mêmes nous posons. Pour ce faire, ils utilisent un minimum de matière, jouant avec la forme et la structure dont ils disposent, afin d’être les plus fonctionnels possible [47]. En cela, ils devraient être, selon les partisans du biomimétisme, une source d’inspiration pour notre façon de gérer nos ressources au regard des limites de l’environnement.

Ces derniers ont mis en valeur les grands principes qui régissent la conduite des organismes vivants, et qui sont mis en œuvre au sein de l’écosystème dans lequel ils vivent. L’idée est de souligner la symbiose et la rationalité au sein du monde animal et végétal, qui devrait occasionner un retour réflexif sur les modes de vie et de production humains, notamment dans l’optique de résoudre certains problèmes environnementaux. On peut présenter ici ces principes et tenter de démontrer en effet leur application biomimétique possible.


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5-1 La nature fonctionne à l’énergie solaire

Alors que nous sommes confrontés à l’extinction progressive des énergies fossiles et que la part des énergies renouvelables ne cesse d’augmenter dans notre consommation, souvent plus par nécessité que par choix, les organismes vivants ont depuis toujours capté et utilisé le soleil, comme source stable et durable d’énergie, tandis que le système que nous avons choisi aura bientôt dépensé toute l’énergie dont il a besoin. S’inspirant de ce constat, des scientifiques ont par exemple étudié la structure d’une feuille afin d’inventer des cellules photovoltaïques plus performantes, dans une perspective biomimétique qui s’est avérée fructueuse.

5-2 La nature utilise seulement l’énergie dont elle a besoin

Les organismes vivants optimisent en effet leur production d’énergie grâce à leur structure, à l’exemple de l’architecture des ruches des abeilles, qui permet à celles-ci d’utiliser moins de matière. De plus, ces mêmes organismes respectent le temps de renouvèlement des énergies avant de les employer à nouveau, en s’adaptant, par exemple au fil des saisons, comme les animaux qui hibernent ou qui déploient d’autres activités pendant les saisons moins nourricières.Pour les adeptes du biomimétisme, l’enseignement que l’on peu tirer de ce principe serait l’instauration d’un nouveau rapport au temps, plus patient et plus attentif[48], ainsi que la nécessité de mettre l’accent sur l’efficacité de la structure, comme celle d’un habitat par exemple, pour mieux économiser sur la consommation d’énergie.

5-3 La nature adopte la forme à la fonction

Elle agit en effet selon le constat suivant : la forme est moins coûteuse que la matière première. Les organismes vivants se sont ainsi adaptés aux contraintes de leurs fonctions, comme par exemple, avoir un abri, en construisant des habitats plus résistants aux conditions climatiques, à l’image des tours des termites qui sont maintenues sous une température constante, en employant un minimum d’énergie. Pour Jeanine Benyus, il faudrait à l’image de la nature « découvrir comment utiliser moins de matière et jouer avec la forme et la structure des choses pour créer les fonctions dont nous avons besoin». [47]

5-4 La nature recycle tout

Dans les écosystèmes, les déchets ne sont pas perdus. En effet, « rien ne se perd, tout se transforme », pour reprendre un principe connu. Les déchets produits par un organisme servent de ressources à un autre organisme, sous une


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forme que l’on peut qualifier de circulaire. Ainsi, dans la forêt tropicale, malgré l’absence de lumière et d’eau, se développe une nature riche et proliférant grâce à l’utilisation optimale des déchets : Les plantes mortes sont récupérées par les champignons et les moisissures, ces derniers les redistribuant ensuite sous forme de nutriments aux autres êtres vivants.Cette observation pourrait inciter les hommes à créer des matériaux facilement biodégradables, ou à mieux réutiliser leurs déchets, notamment en se fondant sur des réseaux intersectoriels, selon les besoins des uns et des autres.

5-5 La nature récompense la coopération

Le principe précédent implique une forme d’activité commune, nécessaire aux organismes pour vivre. Les scientifiques soulignent qu’aucune plante ne peut s’auto-suffire avec uniquement ce qu’elle retire du sol ou de la roche, contrairement à l’idée préconçue d’une lutte acharnée au sein de la nature pour la survie et pour l’utilisation des ressources disponibles.Des expériences ont ainsi démontré, dans une forêt de Colombie-Britannique, que l’apport en carbone fourni par les bouleaux aux sapins permet à ces derniers de réaliser leur photosynthèse. C’est ce modèle de « civilisation en boucle » ou de « réseau de veines » que prône Gauthier Chapelle, afin de « développer les coopérations et synergies nécessaires pour que les déchets puissent être utilisés comme ressources pour les suivants » [50]. On montrera ensuite quelles applications concrètes ce principe a pu trouver dans le monde humain.

5-6 La nature capitalise sur la diversité

Coopérer implique de pouvoir compter sur plusieurs espèces. Récemment des chercheurs [51] ont mis en évidence la proportionnalité entre diversité et productivité, confirmant ainsi la thèse de Darwin selon laquelle, plus le nombre d’espèces n’est élevé, plus la coopération n’est efficace.

Les scientifiques qui défendent le biomimétisme aimeraient voir ce principe de la diversité davantage se développer, afin d’encourager les échanges entre les fonctions et les activités complémentaires, plus favorables à une consommation d’énergie réduite que l’autarcie et la monoculture.

5-7 La nature recherche l’expertise locale

Les organismes vivants n’ont pas la possibilité, ou rarement, de multiplier les sources d’énergie d’origines géographiques différentes. Pour cela, ils deviennent spécialistes ou experts de leur « niche » locale, et vivent en symbiose avec l’écosystème dont ils font partie. Pour les partisans du biomimétisme, utiliser


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les ressources locales permet de diminuer les frais de transport, mais également, en apprenant à mieux connaitre ces ressources, à gagner en efficacité.

5-8 La nature ne fait pas d’excès

Les êtres vivants produisent sans avoir recours à de hautes pressions ou de fortes chaleurs, sans « chauffer, traiter ou forcer », c’est-à-dire en ne pratiquant que ce que leur organisme leur permet, mais également sans déchet et sans gâchis. Le recours à la chimie verte et aux énergies renouvelables permettrait d’imiter cet aspect positif.

5-9 La nature puise sa créativité dans les limites qui lui sont imposées

Enfin, des multiples contraintes auxquelles doit faire face la nature, naît une forme d’inventivité, stimulée par les limites géographiques et naturelles, à contrario de l’ingéniosité humaine qui se sert de sa créativité pour repousser les limites de son environnement. Il en va ainsi de la forêt tropicale, où, face à de fortes contraintes, se sont développées d’aussi fortes relations symbiotiques entre les organismes vivants.

Ces différents principes et conclusions issus des observations et de la réflexion biomimétiques ne sont pas restés lettre morte, mais reçoivent au contraire un écho favorable, notamment dans le secteur de l’habitat durable ou de l’industrie, la pression politique pour réduire les émissions de gaz à effet de serre augmentant parallèlement et incitant à trouver des solutions nouvelles pour construire ou produire.

6- La viabilité du biomimétisme

Une série d’exemples empruntés aux expériences menées dans le domaine de l’habitat, du transport ou de l’industrie permet de montrer les conséquences positives, notamment en terme d’économies d’énergie, de l’application des principes du biomimétisme, mais également ses limites, en particulier en matière de faisabilité, de temps et d’échelle.

6-1 Le succès des applications biomimétiques…

Différentes imitations ont permis de trouver des solutions à des problèmes techniques que se posaient des ingénieurs, des entreprises ou encore des collectivités locales, pour ne citer que ces acteurs.


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L’enseignement de la nature quant à l’efficacité de la structure ou de la forme, favorisant une consommation moins énergivore, est de plus en plus intégré dans les calculs des concepteurs ou des bâtisseurs. L’exemple du train rapide japonais, le « Shinkansen » illustre cette approche : dans ce cas, elle s’est traduite par l’imitation de la structure du bec et de la tête du martin-pêcheur, afin d’améliorer la pénétration dans l’air du train dans les tunnels. En effet, le point commun entre la machine et l’animal était le passage ultra-rapide d’un milieu à un autre, ayant chacun des densités différentes. En façonnant l’avant du train sur le modèle de l’oiseau, les ingénieurs sont parvenus à réduire la consommation électrique de 15%, ainsi qu’à diminuer l’impact sonore, tout en augmentant la vitesse de 10%. Dans le domaine de l’éco-construction également, l’ensemble de la profession met en avant les gains primordiaux en énergie que permet de réaliser une architecture efficace, c’est-à-dire qui prend en compte des facteurs tels que le nombre de façades et de fenêtres, l’orientation du bâtiment ou l’épaisseur des murs.

De même, le principe de coopération, notamment observé au sein des écosystèmes, a été repris dans le domaine de l’industrie, à Kalundborg auDanemark, dès le début des années 90. En s’inspirant des relations complexes observées au sein de la nature, qui permettent d’approvisionner en énergie différents organismes vivants, un parc éco-industrie a été créé, permettant de distribuer et de réutiliser de façon circulaire l’énergie dont ont besoin les usines du site. Cette « symbiose industrielle » repose sur des échanges d’eau et de vapeur, répartis en dix-neuf flux d’échanges entre les industries. Ainsi, l’eau usée issue de la raffinerie sert à refroidir la centrale électrique, qui, elle-même, vend sa propre vapeur à la raffinerie, mais également à une entreprise de biotechnologie ainsi qu’à une usine de panneaux de construction, tandis que son eau chaude est revendue à une ferme d’aquaculture. Prise dans ce cercle vertueux, la centrale électrique a installé un système de désulfurisation de ses émissions gazeuses, qui permet, outre le fait de moins polluer l’air, de produire du gypse, qui constitue la matière première d’une société du parc, fabriquant des panneaux de construction, qui auparavant importait son gypse d’Espagne. Cet exemple fondé sur la coopération et la dimension locale observées dans les écosystèmes, a permis de réaliser des gains de productivité, financiers, énergétiques et environnementaux considérables.

Un dernier exemple significatif réside dans l’imitation du fonctionnement interne d’un organisme vivant, à savoir ici, celui d’une tour de termite. En effet, il a été mis en évidence que le système d’air conditionné naturel mis en œuvre dans les termitières est dû à l’emploi ingénieux par les insectes de la propulsion de l’air chaud vers le haut, ces derniers creusant des petits trous à la base de la tour pour permettre à l’air frais de pénétrer, l’air chaud étant ainsi expulsé par le haut. Les termites ouvrent et ferment aux moments stratégiques les trous permettant la ventilation, selon le degré de chaleur extérieure. De plus, ces tours


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atteignent des dimensions remarquables plus de trois mètres comparativement à la taille des termites. Sur la base de ces observations, en 1996, l’architecte Mick Pearce a dessiné et fait construire un immeuble, nommé l’Eastgate, dont le système d’air conditionné est fondé sur le modèle de la gestion des flux d’air au sein d’une termitière. De façon similaire ont été placées des ouvertures de ventilation à la base des tours afin de faire circuler l’air.

Dans chacune des deux tours de l’immeuble, une conduite en béton apporte de l’air frais à chaque étage. L’air chaud monte vers le plafond, d’où il est évacué dans une autre partie de la conduite et rejeté ensuite par les cheminées du toit. Ce système permet de contrôler et de réguler les flux d’air à l’intérieur du bâtiment, en fonction de la température extérieure. Ce mécanisme a permis d’économiser au sein de l’immeuble 3,5 millions de dollars sur les dépenses d’énergie, en seulement cinq ans, et de diminuer de 35% la consommation d’énergie.

6-2 …Mais un succès conditionné

Si ces différentes réalisations démontrent la viabilité de la méthode biomimétique, elles présupposent cependant certaines conditions, qu’il n’est pas toujours évident de réunir, lorsque l’on souhaite respecter les principes du biomimétisme. En effet, leur apparente évidence ou le simple bon sens qu’ils semblent impliquer, nécessitent en amont plusieurs démarches qui ne vont pas de soi.

Par exemple, la notion de coopération présuppose une forme de concertation de la part des différents acteurs, découlant souvent d’un volontarisme politique ou économique, comme ce fut le cas dans la ville de Kalundborg. Pour profiter de la dimension locale, la complémentarité des activités est nécessaire. De même, l’imitation des performances des structures des organismes vivants nécessite de trouver les matériaux et les architectures adéquates, dont les clefs ne sont pas seulement dans la simple observation de la nature. Par conséquent, les coûts impliqués par la recherche supplémentaire que demande la démarche du biomimétisme n’est pas supportable dans tous les cas, notamment dans les cas d’urgence sociale.


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7- Des innovations biomimétiques

7-1 Les Etats-Unis prennent la vipère comme modèle pour leur défense

Le docteur John Pearce, du département d'ingénierie informatique et électrique de l’Université du Texas, a étudié l'espèce des Crotalinés, de la famille des vipéridés.

Ses recherches ont porté sur les organes situés entre l'œil et la narine de ce serpent (voir la Fig.A). A la surface de l'œil du serpent se trouve une minuscule membrane nerveuse appelée "fossette" que le serpent utilise pour localiser ses proies à sang chaud. Elle comprend un système Fig. (A)Sophistiqué sensible à la chaleur, en effet que le serpent peut repérer une souris à plusieurs mètres de distance dans l'obscurité la plus totale.

Les chercheurs ont affirmé lorsqu'ils ont découvert les secrets des méthodes de prédation et de destruction de ce vipéridé, que les systèmes utilisés par celui-ci pouvaient être adaptées afin de protéger le pays contre les missiles ennemis.Ils espèrent développer des concepts qui aideront les pilotes d'avion engagés dans

des missions dangereuses à éviter les attaques ennemies. Le docteur Pearce a déclaré :"Les forces armées veulent voir si elles peuvent imiter les systèmes biologiques et obtenir un détecteur de missile plus performant."[52] Mais jusqu'à présent, les études menées à

Fig. (B)cet effet ont prouvé qu'il était difficile d'égaler la sensibilité du serpent.

Ils ont essayent de reproduire la sensibilité de l'organe du serpent. Où la mesure des impulsions nerveuses peut possible, mais la véritable question est de savoir ce que signifient ces impulsions. Ils ont utilisés un modèle numérique pour nous indiquer que : telle quantité d'infrarouges a été repérée par l'organe, ce qui signifie qu’il y a telle quantité d'impulsions nerveuses (voir Fig.B).

La membrane du serpent est remplie de vaisseaux sanguins et de connexions nerveuses. Cette membrane est si sensible et les variations dans les réponses si précises et subtiles que vouloir repérer et étudier ces signaux s'est révélé être une tâche difficile. Pour comprendre le fonctionnement de cet organe, il est nécessaire de travailler avec des mesures et des photos microscopiques précises.


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Comme le montre cet exemple, les créatures vivantes présentes dans la nature disposent d'une intelligence et d'une technologie exceptionnelle. Les chercheurs qui travaillent sur ces concepts naturels en les prenant pour modèles parviennent à réaliser leurs projets de façon plus rapide.

7-2 Le plongeon du martin-pêcheur et l’entrée d’un train à grande vitesse dans les tunnels

Les tunnels sur les lignes utilisées par les trains à grande vitesse constituent un autre problème à résoudre pour les ingénieurs.Lorsqu'un train à grande vitesse entre dans un tunnel, les ondes de pression atmosphérique montent et grandissent progressivement pour se transformer en ondes périodiques à l'approche de la sortie du tunnel. Arrivées à la sortie, les ondes font demi-tour. À la sortie du tunnel, une partie de la pression des ondes est relâchée parfois dans un bruit d'explosion.

Etant donné que la pression des ondes représente environ un millième de la pression atmosphérique, elles sont considérées comme des ondes de micropression dans le tunnel et qui se forment comme le montre le diagramme.

On peut réduire le bruit désagréable qui en résulte en augmentant la largeur du tunnel, mais cette tâche s’avère souvent difficile et coûteuse.Tout d'abord, les ingénieurs ont pensé avoir trouvé la solution en réduisant des sections transversales de trains et en construisant le nez du train en forme pointue et lisse

Fig. (C) (comme le montre Fig. C). Ils exécutèrent leur plan sur un train expérimental mais ne parvinrent pas à éliminer les ondes de micro-pression engendrées. En se demandant si une telle dynamique se produisait dans la nature, les créateurs et ingénieurs ont pensé au martin-pêcheur.

Afin de chasser sa proie, le martin-pêcheur plonge dans l'eau qui offre une plusgrande résistance que l'air (Fig. d). Celui-ci subit des changements de pression tel un train entrant dans un tunnel. En conséquence un train qui circule à 300 km/h a besoin d'avoir semblable au bec du martin-pêcheur qui facilite la pénétration de l'oiseau dans l'eau. Fig. (D)


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Des études menées par l'Institut Japonais des Recherches Techniques sur les Chemins de Fer et par l’Université de Kyushu ont révélé que la forme idéale pour supprimer les ondes de micro-pression était un paraboloïde pivotant. Une coupe transversale de la partie supérieure et inférieure du bec du martin-pêcheur de sa tête pour un résultat étonnant et avec consommation électrique de -15%, le TGV a gagné 10% de vitesse. [52]

Fig.26 Le martin pécheur modèle d’innovationLe martin-pêcheur est un exemple de la manière dont les espèces vivantes

sont créées avec exactement ce dont elles ont besoin pour survivre et dont la structure peut servir de modèle aux hommes.

7-3 La structure anti-tremblement de terre des nids d'abeille

Vu la quasi perfection des créations naturelles, ces dernières constituent une grande source d’inspiration pour les architectes. Toutes les caractéristiques nécessaires à une structure telle que l'aspect économique, esthétique, fonctionnel et durable sont déjà présentes dans la nature. Peu importe le nombre de créations remarquables rencontrées par l'homme, leur imitation ne pourra jamais être aussi parfaite ou aussi performante que les originaux (voir Fig. E).

La construction des nids d'abeilles offre de nombreux avantages, dont la stabilité. Tandis que dans les ruches les abeilles indiquent la direction lors d’une danse appelée "la danse du frétillement", elles génèrent des vibrations à l'intérieur de la ruche, ce qui à cette échelle équivaut à un tremblement de terre. Fig. (E)


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Les parois de la ruche absorbent les vibrations potentiellement dangereuses. Le magazine Nature a indiqué que les architectes pourraient utiliser cette caractéristique admirable pour la construction de bâtiments qui résistent aux

tremblements de terre (Fig.F).Les vibrations à l'intérieur des ruches sont comme des mini tremblements de terre crées par les abeilles, il est donc particulièrement intéressant d’observer comment la structure réagit face à ce phénomène... Comprendre cette phase permettrait aux architectes de prédire quelle partie du bâtiment serait particulièrement sensible aux

Fig. (F) tremblements de terre... Ils pourraient ensuite renforcer ces zones, ou bien même introduire des points faibles dans des

zones sans risques afin d'absorber les vibrations nuisibles. [53]Tout cela nous montre que les nids construits avec tant de précision par les

abeilles sont une merveille de la création. La structure de la ruche a montré le chemin aux architectes et scientifiques en leur donnant de nouvelles idées.Ce n'est pas la chance qui a permis aux abeilles de construire leur ruche de manière si parfaite, comme l'affirment les partisans de l'évolution, mais Allah, le Seigneur détenteur du savoir et de la connaissance infinis, Qui leur donne cette capacité.

7-4 La robotique imite les serpents pour résoudre les

problèmes d'équilibre

Selon les spécialistes en robotique, l'un des problèmes majeurs rencontrés est de maintenir l'équilibre. Même les robots équipés des dernières innovations technologiques peuvent perdre l'équilibre en marchant. Un enfant de trois ans réussit à retrouver sonéquilibre sans aucun problème, mais les robots, qui ne possèdent pas cette faculté, sont par conséquent peu mobiles et peu utiles. Citons en exemple l’un des robots conçus par la NASA pour effectuer des missions sur Mars et Fig. (G) qui n'a pas pu être utilisé pour cette raison. Suite à cela, les experts en robotique ont abandonné toute tentative de réaliser un mécanisme de contrôle de l'équilibre et se sont mis à observer une créature qui ne perd jamais l'équilibre, le serpent.


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Contrairement aux autres vertébrés, les serpents de lac possèdent une colonne vertébrale et des membres rigides afin de pouvoir pénétrer à l’intérieur des crevasses et des anfractuosités. Ils peuvent étirer ou contracter leurs corps, s'accrocher aux branches et glisser sur les rochers. Ces caractéristiques spécifiques des serpents ont inspiré la création d’un nouveau prototype de

Fig. (H) robot développé par le Ames Research Center de la NASA et appelé le "Snakebot". Ce robot fut conçu afin de pouvoir rester constamment en équilibre sans être déstabilisé par les obstacles. [54]

7-5 Une solution informatique grâce aux papillons

Nous utilisons si souvent les ordinateurs qui font partie intégrante de notre quotidien -à la maison, au travail et même en voiture. La technologie informatique se développe rapidement de jour en jour, et l'augmentation du niveau de vie nécessite que les ordinateurs s'adaptent à ce progrès. Les derniers modèles peuvent atteindre des vitesses d’exécutions impressionnantes, et des puces encore plus rapides permettent aux ordinateurs d'effectuer Fig. (I)plus de tâches en moins de temps. Cependant, des puces plus rapides entraînent une plus grande consommation d'électricité, ce qui chauffe la puce en retour. Il est indispensable que la puce soit refroidie afin de l'empêcher de fondre. Lesventilateurs qui existent déjà ne sont plus suffisants pour refroidir les dernières générations de puces. Les créateurs qui cherchent à résoudre ce problème ont déclaré qu'ils avaient trouvé une solution en s’inspirant de la nature.

Les ailes des papillons sont conçues d’après une structure remarquable (Fig. I).Des recherches menées à l'Université de Tufts ont révélé que les ailes des

papillons étaient dotées d'un système de refroidissement. Comparé au système de refroidissement des puces informatiques, celui du papillon est bien plus performant. Une équipe dirigée par Peter Wong, assistant professeur en génie mécanique, fut réunie par l’American National Science Foundation pour étudier comment les papillons irisés contrôlaient la chaleur.


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Fig. 27 Deux genres des papillons

Etant donné que les papillons sont des insectes à sang froid, ils doivent constamment réguler leur température corporelle. C'est un problème majeur, car la friction durant le vol entraîne une importante quantité de chaleur. Cette chaleur doit être immédiatement refroidie, autrement, le papillon ne survivrait pas. La solution est fournie par les millions de lamelles microscopiques, des films ultrafins, accrochés à leurs ailes. La chaleur générée est ainsi dispersée.L'équipe estime que cette recherche sera utile pour les constructeurs de puces comme Intel et Motorola dans un proche avenir. Mais les papillons possèdent cette faculté depuis qu'ils sont apparus sur terre. [55]

8- Le modèle des plantes et le biomimétisme

La technologie de la fibre optique, qui commence seulement à être utilisée, fait appel à des câbles capables de transmettre de la lumière et de l'information à haute capacité.

Quelle serait votre réaction en apprenant que certaines créatures vivantes utilisent ces technologies depuis des millions d'années ? Ce sont des organismes que vous connaissez très bien, mais dont vous n'avez jamais remarqué la structure exceptionnelle : les plantes.

Fig. 28 Analogie entre le PS &le PV


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Parce que beaucoup d'entre nous regardent le monde de manière superficielle et familière, ils ne voient pas les exemples des structures supérieures des êtres vivants créés par Allah. Mais en réalité, tout être vivant recèle de nombreux secrets. Le fait de se demander pourquoi et comment est suffisant pour se rendre compte que tout ce qu’on voit autour de nous est le fruit du travail d'un Créateur détenteur de la raison et du savoir. Comme exemple, citons la photosynthèse que les plantes effectuent un miracle de la création dont les mystères n'ont pas encore été révélés. [55]

La photosynthèse est le processus par lequel les plantes vertes transforment la lumière en hydrates de carbone que les être humains et les animaux consomment. A première vue, cette description ne semble pas si extraordinaire, cependant les biochimistes croient que la photosynthèse artificielle pourrait facilement transformer le monde entier.

Fig.29 Schéma descriptif de la photosynthèse.

Les plantes photosynthétisent grâce à une suite de phénomènes complexes. La nature exacte de ces processus n'est pas encore bien connue. Mais cette simple caractéristique suffit pour les partisans de la théorie de l'évolution. Le professeur Ali Demirsoy décrit le dilemme de la photosynthèse pour les partisans de l'évolution:

La photosynthèse est un phénomène particulièrement compliqué qui semble provenir des organites de la cellule. Parce qu'il est impossible que toutes les étapes se produisent en même temps ou bien séparément. Les plantes captent la lumière grâce à des organites connus sous le nom de chloroplastes. De la même façon nous stockons l'énergie que nous obtenons à partir des panneaux solairesartificiels qui transforment la lumière en énergie électrique. La faible production énergétique des cellules végétales nécessite l'utilisation de nombreux "panneaux solaires" représentés par les feuilles. Il est suffisant pour les panneaux solaires, comme pour les feuilles, d'être face au soleil afin de répondre aux besoins


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énergétiques des êtres vivants. Lorsque nous serons capables de répliquer intégralement les fonctions des chloroplastes, nous pourrons faire fonctionner des équipements qui consomment une grande quantité d'énergie à partir de batteries solaires. Les engins spatiaux et les satellites pourront fonctionner en utilisant la simple énergie solaire sans avoir recours à d'autres sources d'énergie.

L’idée d’utiliser la photosynthèse commence à être intégrée dans les stratégies économiques via l’émergence des biocarburants.

8-1 Quel lien existe-t-il entre le transfert d'électron et la photosynthèse dans les plantes vertes ?

La photosynthèse est un processus dans lequel l'énergie lumineuse, abondante et éphémère, est captée puis transformée en énergie chimique sous la forme d'une molécule réservoir d'énergie (l'ATP). Ce processus peut être décomposé de la façon suivante :

• le photon est capté par une antenne biologique, le photosystème I ou II, bien ancré dans les membranes de petites "poches à photosynthèse" situées àl'intérieur des cellules, les chloroplastes.

• cette antenne réalise un transfert d'énergie et envoie l'énergie du photon dans une autre grosse molécule des membranes des chloroplastes, le centreréactionnel : c'est là que l'énergie électromagnétique est transformée en une paire électron-trou, grâce à un transfert d'électron. Une entité dimérique du centre réactionnel, composée de "porphyrines", reçoit l'énergie en provenance del'antenne et, excitée, éjecte un électron vers une autre porphyrine plus éloignée.

• à partir de là, l'électron se ballade par transferts successifs. Ce faisant, il s'éloigne du trou positif laissé à son départ, ceci afin d'éviter la recombinaison. Le trou, d'ailleurs, finit lui aussi par s'éloigner et se transformer.

Au final, le photon envoyé par le Soleil a créé dans le chloroplaste une charge négative et une charge positive très éloignées l'une de l'autre, réparties de part et d'autre de la membrane du chloroplaste. Elles sont prises en charge par d'autres mécanismes biologiques très complexes ; leur rôle est de stocker l'énergie chimique sous une forme moins fragile et moins éphémère, l'ATP. [56]


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En effet, la possibilité d’utiliser à large échelle la lumière du soleil comme source majeure d’énergie primaire pourrait devenir réalité au cours de ce siècle. A ladifférence des cellules conventionnelles à base de silicium, le principe de fonctionnement des cellules à colorant s’inspire du processus naturel de la photosynthèse ; c'est-à-dire que les processus d’absorption de la lumière et de séparation des charges sont différenciés et réalisés par des matériaux distincts. Chaque composant moléculaire n’effectue qu’une seule fonction pour laquelle il estoptimisé. Un autre intérêt de ces cellules réside dans leur faible coût car elles reposent sur des matériaux bon marché et sur une technologie peu onéreuse.

Fig.30 La photosynthèse des plantes et la conversion photovoltaïque à colorant. [57]

Les principes qui régissent le fonctionnement des cellules photovoltaïques fondées sur la sensibilisation d’un oxyde minéral semi-conducteur à large bande interdite seront présentés. La première partie portera sur les cellules dites de « type Grätzel », c'est-à-dire dont le mécanisme est fondé sur l’injection d’électrons dans la bande de conduction d’un semi-conducteur de type n (typiquement TiO2 ou ZnO). La deuxième partie concerne une nouvelle technologiephotovoltaïque reposant sur l’utilisation de semi-conducteurs de type p (SC-p) et dont le principe de fonctionnement est inversé, puisque le colorant photo-excité injecte une lacune dans la bande de valence du SC-p.

Les contributions majeures et les perspectives dans ce domaine seront présentées dans le 4ème chapitre.


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9- Conclusion

Si les efforts et les concessions qu’exigent les réalisations inspirées par les principes observés dans la nature, semblent parfois considérables, ils sont rentabilisés sur le long terme, car les coûts de recherche et de développement sont compensés par les économies d’énergie conséquentes réalisées. La viabilité du biomimétisme ne peut en effet se mesurer seulement à l’aune d’exigences conjoncturelles, mais elle implique plutôt des réformes en profondeur et une vision de nature structurelle. Cependant, si le biomimétisme privilégié la durée et le durable, les réussites économique et industrielles sont aussi au rendez-vous, comme l’ont montré les exemples présentés précédemment. Plus que jamais, il est donc temps de s’inspirer des « écosystèmes matures » mis en évidence par l’américain Gregory J. Cooper, qui privilégient en effet la diversité, une utilisation optimale des ressources, la stabilité locale et ce, dans une perspective de durée. Déquoi nous faire réfléchir sur le temps que nous souhaitons encore pouvoir passer sur Terre.

Les cellules solaires bio-inspirées

Chapitre 4


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1- Introduction

Traverser la route et demander à la première personne que vous rencontrez la question suivante : « selon votre connaissance y a-t-il n'importe quelle corrélation entre une cellule photovoltaïque et le processus de photosynthèse ? » À 99,9 % la réponse est non, là n'est pas n'importe quelle corrélation (meilleure de ne pas dire à 100%, vous ne savez jamais).

La réponse est probablement négative parce que la personne ne se rappelle pas ou ne sait pas ce qu'est une cellule photovoltaïque et ce qu'est le processus de photosynthèse. Rappelons-nous ensemble, brièvement, ce qui sont-ils.

La cellule photovoltaïque est l'élément bas constituant un module photovoltaïque, qui peut convertir droit l'énergie solaire dans l'énergie électrique par l'effet photovoltaïque.

La photosynthèse est un processus endothermique qui se produit aux usines et dans une certaines organisation et grâce unicellulaires à elle l'énergie solaire est transformée dans l'énergie chimique, incluse en molécules de glucose et dans le lien d'autres substances organiques.

Maintenant nous avons trouvé le raccordement entre la cellule photovoltaïque et le processus de photosynthèse : tous les deux convertissent l'énergie solaire, le premier dans l'énergie électrique le second dans l'énergie chimique.

En raison du lien mentionné ci-dessus Michael Grätzel, professeur de la physique de chimie à l'université de Lausanne en suisse, dans 1991 a montré la cellule photovoltaïque basée sur le processus inspiré à la photosynthèse d'usines. La cellule Grätzel, dans son fonctionnement, se rapporte à la photosynthèse d'usines.

- Elle emploie un colorant organique équivalent à la chlorophylle pour absorber la lumière et pour produire un écoulement d'électron.

- Elle emploie des couches multiples pour améliorer l'efficacité la lumière absorbant et le rassemblement d'électrons.


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2- Analogie avec la photosynthèse

Au cours de l'humanité du temps a cherché de nombreuses façons d'imiter la nature à travers l'expression artistique, mais plus récemment, grâce à la technologie. La question sur l'esprit de beaucoup de gens pendant un certain temps a été, «Pouvons-nous les humains surpassent la nature?" Sans entrer ouvertement philosophique, tout en reconnaissant que nous, les humains font partie intégrante de la nature, un bon aspect de ce sujet pour comparer et contraster serait être un homme ou naturelles manipulé transfert d'énergie, plus précisément, la photosynthèse par rapport à l'énergie photovoltaïque. [58]

Mais cette comparaison devient très compliquée. Comme cet essai montre plus tard, il existe plusieurs problèmes majeurs à considérer. Ainsi, la meilleure façon d'obtenir de la mesure de l'efficacité la plus précise consiste à mesurer les produits finis globale de chaque système.

La première loi de la thermodynamique établit que l'énergie ne peut pas être crée ni détruite. Dans cet esprit, nous pouvons décrire à la fois la photosynthèse (PS) et le photovoltaïque, souvent dénommé PV, en tant que processus dans lequel l'énergie lumineuse est captée et transférée dans une ou l'autre de l'énergie chimique, comme dans PS, ou de l'électricité, comme en PV. Garder les yeux de notre esprit sur ces deux formes de transfert d'énergie, nous pouvons désormais comparer l'efficacité globale de ces transferts d'énergie.

Photoinduced charge seperation = Séparation de charge photoinduite / Wire distribution = distribution fil / Electric work mechanical, chemical, thermal & informational = Travaux électriques mécaniques, chimiques, thermiques et d'information / Transducers for synthesis, mechanical, transport and information processing work = ransducteurs pour la synthèse, mécanique, transport et traitement de l'information de travail / Halophilic archaea bacterioplankton = bactérioplancton archaea halophiles

Fig.31 Comparaison entre le PV et PS. [58]


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Les deux systèmes utilisent des photons électrons passionnante par la collecte sur une surface plane, les feuilles et les cellules solaires. Pour comparer l'efficacité, l'idéal serait de prendre une zone donnée de la feuille de la plante la plus efficace disponible et de comparer sa capacité à produire de l'énergie à la production d'énergie de la même quantité de matière de produits les plus éco-énergétiques de cellules solaires.

Selon la NASA, John H. Glenn Research Center à Lewis de terrain, la recherche actuelle et le développement pour le photovoltaïque ne donne qu'un taux d'efficacité maximale d'environ 50%, même dans l'environnement le plus optimal contrôlée. La NASA prévoit également que, «Quand l'énergie lumineuse frappe la cellule solaire, des électrons sont frappé perdre des atomes dans le matériau semi-conducteur. Si les conducteurs électriques sont fixés sur les côtés positifs et négatifs, formant un circuit électrique, les électrons peuvent être capturés sous la forme d'un courant électrique qui est, de l'électricité. "Le déficit de 50% est due à une incapacité à exploiter, ou absorber la totalité de l'énergie lumineuse donnée. La chaleur du soleil provoque une inefficacité dans les systèmes électriques et favorise la perte d'énergie.

L'efficacité photosynthèse, selon l'Encyclopedia Britannica en ligne, est définie comme: «Le rapport de l'énergie stockée par rapport à l'énergie de la lumière absorbée." Toutefois, il est presque impossible d'obtenir une comptabilisation exacte de l'efficacité énergétique photosynthèse, car les plantes utilisent l'énergie de faire en sorte de nombreux produits différents, immédiatement après la collecte de l'énergie, et les montants des produits sont basés sur les besoins des espèces de plantes spécifiques et les facteurs environnementaux.

Différentes plantes seulement besoin d'un certain pourcentage de ce qu'ils pourraient transfert. Parce que les plantes utilisent l'eau pour le transport des éléments nutritifs, les plantes au frais en raison de la propriété par évaporation de l'eau. Plante effectivement la sueur au cours d'un processus appelé transpiration.

Une chose importante à garder à l'esprit ici est de savoir combien d'énergie est nécessaire pour rendre une plante contre la quantité d'énergie nécessaire pour produire un système PV.

Systèmes PV ne produisent de l'électricité, et ne contiennent pas le même niveau de complexité que le PS.

Les systèmes PV ne peut pas être abreuvés et devrait croître à partir de graines comme les plantes peuvent.


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En fait, les systèmes PV nécessitent de multiples sociétés, des usines complexes, matériaux synthétiques, et de nombreuses personnes de les mettre ensemble. Ce processus par lequel les systèmes PV sont créés exige beaucoup d'énergie démesurée. Les plantes ont l'ADN qui leur permet de perpétuer l'auto et se reproduire, les systèmes PV ne sont pas.

Les systèmes photovoltaïques ont une durée de vie moyenne d’une vingtaine d'années, tandis que les plantes peuvent effectivement se développer n'importe où entre un an et plus de quatre mille ans.

Les systèmes PV ne peut pas "pousser" si les gens de s'impliquer et de les compléter.

Étant donné le processus dynamique par lequel PS convertit l'énergie lumineuse en énergie chimique, les magasins de l'énergie, puis utilise cette énergie pour faire une telle variété de produits, y compris sa propre croissance et la reproduction, le photovoltaïque a une façon relativement long à parcourir avant de pouvoir atteindre le même niveau d'efficacité et de complexité. Ainsi, la comparaison est vraie usine vs système photovoltaïque, et pas seulement individuelle des cellules solaires.

Les systèmes PV ne convertissent l'énergie photo en électricité. Les plantes transforment l'énergie photo en énergie chimique (ATP), de la nourriture sous forme de glucose, qui est utilisé pour des fonctions diverses plantes, l'oxygène et absorbent également le dioxyde de carbone de l'air que nous respirons. L’industrie photovoltaïque pourrait beaucoup apprendre de l’observation PS puis mettre en œuvre ce qu’il apprend.

Sauf photovoltaïque se développe l'autonomie, comme la photosynthèse a des milliers d'années, une façon naturelle de «virage vert» sera toujours battu la technologie par l'homme, les mains vers le bas.


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3- Photopiles à colorant

3-1 Historique

L’histoire de la cellule cristalline commence à la fin du 19ième siècle avec le principe de photographie. Il a été découvert que certaines molécules de colorant organique pouvaient être utilisées sur un film photographique à base de chlorure d’argent.

Depuis les années 1970, des tentatives ont été faites pour créer une cellule solaire basée sur la photosynthèse. Cette cellule solaire était alors constituée d’une couche cristalline de semi-conducteur et d’une couche de chlorophylle. Cependant, dans ce type de structure les électrons ont peu de mobilité. Ainsi l’efficacité de la première cellule était d’environ 0.01%.

C’est dans les années 1985 que de nouveaux progrès sont apportés par une équipe de chercheurs, dont Michael Grätzel, de l’université de Lausanne qui ont étudié plus précisément comment se faisait la capture des rayons lumineux par les molécules de chlorophylle.

Ces molécules sont logées dans des cellules en forme de galettes empilées dont le nom est thylakoïdes. Les thylakoïdes sont elles-mêmes logées dans les chloroplastes. La lumière doit alors traverser plusieurs couches de chlorophylles pour être totalement absorbées.

L’équipe de Lausanne s’est alors inspirée de cette structure multicouche pour augmenter le rendement d’une cellule solaire basée sur le principe de la photosynthèse appelée aussi cellule solaire à colorant. [59]

3-2 Définition et développement des recherches scientifiques

Le Grätzel cellule solaire est composé d'une couche poreuse de nanoparticules d'un pigment blanc, dioxyde de titane(TiO2), recouverte d’un colorant moléculaire qui absorbe la lumière du soleil, comme la chlorophylle dans les feuilles vertes. Le dioxyde de titane recouvert de pigment est immergé dans une solution électrolytique, et un catalyseur à base de platine complète l'ensemble.

Comme dans une cellule électrochimique classique (comme une pile alcaline), deux électrodes (l'anode de dioxyde de titane et la cathode de platine dans la cellule Grätzel) sont placés de chaque côté d'un liquide conducteur (l'électrolyte). La lumière du soleil passe à travers la cathode et l'électrolyte, puis se retire des électrons de l'anode de dioxyde de titane, un semi-conducteur au fond de


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la cellule. Ces électrons Voyage à travers un fil de l'anode vers la cathode, ce qui crée un courant électrique. De cette façon, l'énergie du soleil est convertie en électricité.

La plupart des matériaux utilisés pour fabriquer cette cellule sont à faible coût, facile à fabriquer et souples, leur permettant d'être intégrés dans une grande variété d'objets et de matériaux.

En théorie, les cellules solaires Grätzel a des énormes possibilités. Malheureusement, malgré l'excellence du concept, ce type de cellule a deux problèmes majeurs qui ont empêché sa commercialisation à grande échelle:L'électrolyte est:

Extrêmement corrosif, ce qui entraîne un manque de durabilité.

À forte densité de couleur, ce qui empêche le passage efficace de la lumière.

Les limites du dispositif photovoltage à 0,7 volts. La cathode est recouverte de platine, une matière qui coûte cher, non transparentes et rares. Malgré de nombreuses tentatives, jusqu'à ce que la récente contribution de M.Marsan, que personne n'avait été capable de trouver une solution satisfaisante à ces problèmes.

Les solutions de Professeur Marsan

Professeur Marsan et son équipe travaillent depuis plusieurs années sur la conception d'un procédé électrochimique de cellules solaires. Ses travaux ont porté sur de nouvelles technologies, pour lequel il a reçu de nombreux brevets. En examinant les problèmes de la cellule au point par son collègue suisse, le professeur Marsan s'est rendu compte que deux des technologies développées pour la cellule électrochimique peut aussi être appliqué à la cellule solaire Grätzel, en particulier:

Pour l'électrolyte, entièrement nouvelles molécules ont été créés en laboratoire dont la concentration a été augmentée grâce à la contribution du professeur Livain Breau, également du Département de chimie. Le liquide résultant ou de gel est transparent et non-corrosive et peut augmenter le photovoltage, améliorant ainsi la sortie de la cellule et la stabilité.

Pour la cathode, la platine peut être remplacée par du sulfure de cobalt, qui est beaucoup moins coûteux. Il est également plus efficace, plus stable et plus facile à produire en laboratoire


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3-3 Principe de fonctionnement

Le principe est simple : sur une première électrode, le pôle négatif (‐, couche de verre conducteur ou de titane), on dépose une couche de dioxyde de titane (TiO

2), ayant une structure semblable à une éponge. On imprègne cette

couche de TiO2

avec un colorant puis on complète la cellule par un liquide particulier

(électrolyte), qui assure le contact avec la deuxième électrode, le pôle positif (+, verre conducteur ou couche carbone). Pour éviter que le liquide ne s’échappe, on assure l’étanchéité des bords de la cellule. Une fois la cellule exposée à la lumière, le colorant va transmettre ses électrons à l’oxyde de titane et ainsi créer un courant.

Fig.32 Structure des cellules solaires à colorant (parfois appelées cellules Grätzel). [60]

Le processus de fabrication de cellules à colorant nécessite des moyens de production relativement simples, tels que des méthodes d’imprimerie et le laminage. Les composants de base (verre, colorant, TiO

2) coûtent peu et

s’obtiennent facilement. On dépose le TiO2

par sérigraphie, on le fait cuire, puis on

applique le colorant dissout dans de l’alcool avant de refermer la cellule. Il faut éviter les environnements poussiéreux, mais la fabrication ne nécessite pas de conditions extrêmement propres. Il existe d’ailleurs des kits permettant de fabriquer les cellules solaires à colorant chez soi. De même l’EPFL propose parfois pour les visites de classes d’écoles de faire fabriquer aux élèves leurs propres cellules, en utilisant comme colorant du jus de framboises. Ils peuvent ensuite alimenter un petit moteur. Evidemment ces cellules artisanales n’auront de loin pas les mêmes performances que des cellules fabriquées en environnement bien maitrisé avec un bon colorant.


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De par leur caractéristiques et leurs performances, les cellules de silicium ou à colorants n’ont pas les mêmes applications. Les cellules silicium, bien orientées en plein soleil, peuvent avoir des rendements plus hauts tandis que les cellules à colorant sont plus efficaces en lumière diffuse (intérieur, temps nuageux) car la structure spongieuse de l’oxyde portant le colorant permet d’absorber la lumière sous tous les angles. Même à faible luminosité elles atteignent rapidement une tension utilisable. Seule la puissance sera plus faible.

3-4 Avantages et inconvénients

Le procédé de fabrication simple ainsi que le faible cout des matériaux de base permettront de produire des cellules au rapport qualité prix intéressant par rapport au silicium. Elles se prêtent également mieux aux applications en intérieur et sont moins dépendantes de la météo, même si à ensoleillement maximal elles ont un rendement plus faible.

Le principal problème actuellement est de garantir l’étanchéité des cellules. Si l’électrolyte liquide s’échappe, une partie de la cellule sèche et cesse de produire de l’électricité.

De plus, la température de cuisson de la pâte TiO2

empêche de créer des

cellules à la fois flexibles et transparentes pour l’instant.

4- Caractérisations optimale des cellules solaires à colorant

4-1 Choix des matériaux

Choix du semi-conducteur

Bien qu’il ait beaucoup d’autres oxydes métalliques semi-conducteurs tels que SnO2, ZnO, NbO5 , CeO2 , SrTiO3, TiO2 est le plus répandu. Il est bon accepteur d’électron, pas cher à produire et non toxique. Son gap est de 3.2eV ce qui fait qu’il est transparent à la lumière visible et il n’absorbe que dans le proche ultraviolet. Il peut être sensibilisé par de nombreux colorants. De plus, la fabrication des films mésoporeux de TiO2 sur de grandes surfaces permet une meilleure absorption par le colorant et facilite aussi le transport des électrons et l’électrolyte dans la cellule solaire. [61], [62], [63]

Le TiO2 est toujours le semi-conducteur principalement étudié pour l’amélioration de l’efficacité de conversion énergétique. En effet, la morphologie des nanoparticules de TiO2 permet d’augmenter la capture des électrons. Des


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recherches ont été récemment menées sur le TiO2 couvert de multicouches de nanotubes de carbone (TiO2-CNTs).

Les nanotubes de carbone ont une excellente conductivité électrique et une bonne stabilité chimique. Cette modification peut augmenter d’environ 50% l’efficacité de conversion (par rapport à un couche nano-poreuse de TiO2) qui est due à l’amélioration dans l’inter connexion entre les particules de TiO2 et le TiO2-CNT dans le film poreux TiO2.

L’institue d’avancement énergétique (Institute of Advanced Energy) de L’Université de Tokyo développe actuellement les nanoparticules de TiO2 en forme de tiges qui permettent une amélioration importante de la mobilité des ions. Les chemins le long de ces nano-tiges assurent une collecte rapide des photoélectrons jusqu’à électrodes.

Ainsi les procédés de fabrication du TiO2 permettent d’obtenir différentes formes et tailles des nanoparticules. De plus, les techniques de dépôt du TiO2 sur le substrat jouent sur l’efficacité de transmission des électrons du semi-conducteur à l’électrode.

Choix du colorant

Le colorant doit pouvoir absorber le plus possible tout le spectre visible. Il doit apporter un groupe tel que carboxylate et le phosphonate, hydroxamate qui va permettre aux molécules de colorant de se greffer fermement à la surface du semi conducteur. Et une fois excitée par l'absorption d'un photon lumineux, la molécule de colorant doit être capable d'injecter un électron dans la bande de conduction du semi-conducteur. Son niveau d’énergie excitée doit être supérieur à la bande de conduction de semi-conducteur. Il doit avoir aussi une excellente stabilité lui permettant d’assurer des dizaines, voire les centaines de millions de cycles excitation oxydation- réduction qu'il sera appelé à subir durant les vingt années ou plus de fonctionnement d'une cellule solaire.

Les meilleures photovoltaïques performances en termes de conversion et de stabilité ont été obtenues avec des métaux plus précisément avec les complexes polypyridines de ruthénium et osmium.

Le complexe le plus souvent utilisé est le ruthénium complexe cis-di (thiocyanato)-2,2’- bipyridyl-4,4’ (dicarboxylate) Ru(II) connu sous la nomination colorant N3. On peut atteindre le 10% de rendement de conversion.


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Le colorant N3 a un maximum d'absorption en 518 et 380 nm et la durée de fonctionnement est de 60 ans.

Fig.33 Sensibilateurs à base de colorants organique. [64]

Le “colorant noir” (i.e. tri (cyanato)-2,2’2’’-terpyridyl-4,4’4’’ tri (carboxylate) Ru(II)) donne une légère meilleure efficacité de conversion.

Les structures des colorants organiques telles porphyrines et le phthalocyanine attirent particulièrement l’attention à cause de leur analogie avec la photosynthèse naturelle.

Cependant, ils ne rivalisent pas avec le colorant N3 ou le colorant noir parce qu’il n’absorbe pas la lumière rouge.

Toutefois en utilisant le type de colorant coumarine ou polyène, on peut atteindre rendement de 7.7 % en pleine lumière.

Une autre stratégie consiste à étendre la zone d’absorption près de l’IR. Il s’agit de combiner deux colorants qui couvrent à eux deux toute la bande spectrale de la lumière visible. Par exemple en mélangeant la porphyrine et le phthalocyanine qui donnent des résultats encourageants.

L’absorption des molécules dépend de la nature et du nombre de liaison qu’il y a dans un système. [61], [62], [63]


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Fig.34 Cellules avec différentes colorants. [64]

Choix de l’électrolyte

Un électrolyte est un milieu conducteur ionique. Il est obtenu par dissolution ou fusion d'un sel, d'un acide ou d'une base. L’électrolyte le plus utilisé contient le couple redox I-/ I-

3.

Une efficacité de 11% a été atteinte dans la cellule à colorant avec un liquide organique contenant le couple oxydoréduction I- / I-

3. Cependant, les cellules à colorant sont confrontées à une faible durée de vie spécialement à forte température à cause de la volatilité et la décomposition des propriétés de l’électrolyte liquide organique.

Pour améliorer la stabilité et l’efficacité de l’électrolyte, les électrolytes liquides peuvent être remplacés par des électrolytes solides ou quasi solides électrolytes tels que les électrolytes plastiques ou des électrolytes polymères solides, ou des électrolytes polymères gels.

Mais l’électrolyte à l’état solide a encore une faible conversion énergétique due à la lente conductivité électronique et au faible contact à l’interface électrolyte/électrode.

L’électrolyte gel donne actuellement de meilleurs résultats. Un électrolyte gel polymérique est obtenu par le piégeage d’un électrolyte liquide dans des cages polymériques formées dans une matrice hôte.

La matrice hôte est un polymère capable d’absorber une grande quantité d’électrolyte liquide et peut le maintenir sous pression sans volatilisation. Un électrolyte gel polymérique a certains avantages tels qu’une pression de vaporisation négligeable, une meilleure stabilité, un bon contact avec le TiO2 et la contre électrode et une grande conductivité ionique.


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4-2 Comment fabrique-t-on une cellule à colorant ?

Dépôt du semi-conducteur (TiO2)

Frittage à haute température

Absorption du sensibilisateur


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Dépôt de l’électrolyte

Assemblage de la contre électrode de Platine

Fig.35 Les étapes de fabrication d’une cellule à colorant. [64]

5- Spécification esthétiques

5-1 Caractéristiques

Comme les cellules solaires à colorant utilisent des colorants et des électrodes transparentes, elles offrent un aspect esthétique intéressant. Plusieurs colorants sont disponibles : chaque colorant aura un rendement différent. Si une cellule est foncée et opaque, c’est qu’elle a absorbé une grande partie du spectre lumineux, donc elle produira plus d’énergie. On remarque facilement qu’une feuille noire exposée au soleil chauffe plus qu’une feuille blanche. Les colorants ternes ont donc un meilleur rendement que les colorants vifs (qui renvoient beaucoup de lumière). De même, une cellule opaque absorbe plus de lumière qu’une cellule transparente. Il existe même des colorants qui absorbent la lumière hors du spectre visible (dans les infrarouges). On peut ainsi imaginer des cellules à faible rendement qui servent de fenêtres. Une montre a également été développée, la vitre de la


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montre servant de capteur pour l’alimenter. Le rendement des cellules commercialisées actuellement varie entre 4% et 6%. [60]

Fig.36 Différentes couleurs sur des cellules Grätzel (courtesy of Dr. Winfried Hofmann, RWE‐Schott)

Ces cellules nécessitent au moins une électrode transparente, puisque la lumière doit atteindre le colorant. Si les deux électrodes sont en verre, la cellule peut absorber la lumière venant des deux côtés. Selon l’épaisseur de la couche d’oxyde entre les deux plaques de verre, la cellule sera plus ou moins transparente.

On peut choisir un support flexible pour la cellule. Cependant l’étape de la cuisson pose certains problèmes. La température du four atteint 500°C, température à laquelle un substrat polymère ne résiste pas. Pour les cellules flexibles on a généralement un substrat en métal, ce qui empêche la transparence des cellules et diminue leur exposition à la lumière.

Pour des raisons pratiques évidentes, les substrats de la cellule standard ont en général une forme rectangulaire. Cependant rien n’empêche de découper les plaques de substrats pour obtenir des géométries différentes. Il faut ensuite pouvoir garantir l’étanchéité de la cellule et la sérigraphie de la pâte TiO

2.

Fig.37 Cellule verte Dyesol (courtesy of Dyesol). [60]


103

5-2 Conception des cellules

La plupart des cellules vendues actuellement ont un design similaire : plusieurs bandes disposées côte à côte. Pourquoi cette apparence particulière alors qu’il est possible de faire une grande cellule sur toute la surface de la plaque ?

Tout d’abord, le verre conducteur a une certaine résistance qui engendre des pertes. Les cellules sont donc étroites pour diminuer le chemin que l’électricité doit parcourir. Pour garder une surface intéressante (qui donne un courant suffisant) on a donc une bande. De plus, chaque cellule donne une tension de 0.6V (selon le colorant, peut varier entre 0.4V et 0.8V). Dans le cas de l’exemple ci contre, on a 6 bandes combinées pour donner une tension de 3.6V.

On peut augmenter la tension en combinant plusieurs cellules comme des piles, mais pour conserver une efficacité maximale il faut que chaque cellule donne le même courant. Le courant produit dépendra du rendement de la cellule, de la surface exposée à la lumière et de l’intensité lumineuse. Donc pour un même colorant, chaque sous‐cellule devrait avoir la même surface. [58]

Fig.38 Module de base à 6 bandes Dyesol (courtesy of Dyesol). [60]

5-3 Motifs et couleurs

On peut créer des motifs de plusieurs façons. Tout d’abord, lors de la déposition du TiO

2 par sérigraphie : en variant l’épaisseur de la couche on rend la

cellule plus ou moins opaque. On peut aussi éviter de déposer l’oxyde sur certaines parties de la cellule ; dans ce cas le colorant ne s’y accrochera pas et on verra apparaitre l’électrolyte (couleur jaune).

On peut envisager d’appliquer le colorant par sérigraphie ou au pinceau pour créer des motifs. Il est également possible en théorie de superposer des colorants différents. Actuellement on ne maîtrise pas cette technique, le colorant superposé à un autre a tendance à former des agrégats et perd son efficacité. Après l’application du colorant, il vaut mieux refermer la cellule assez vite et éviter les


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contaminations de poussière si on veut atteindre une bonne performance, il faut donc pouvoir appliquer rapidement la couleur.

Pour superposer les colorants, on peut avoir recours à une autre technique superposer les plaques de couleurs différentes et jouer sur les effets de transparence.

A partir d’un seul ton de colorant, on peut obtenir plusieurs couleurs. En rendant la couche d’oxyde plus ou moins épaisse la couleur sera plus ou moins forte. Par exemple le colorant rouge donne des teintes allant du brun brique au rose. Le vert passe du noir au vert clair.

Comme expliqué précédemment, chaque colorant a ses propres caractéristiques. Ils donnent une certaine tension avec un certain rendement, les colorants vifs sont moins efficaces car ils revoient plus de lumière. [60]

Fig.39 Motif sérigraphie dans le TiO2 – l’électrolyte ressort jaunâtre Photo

Quelques exemples :

Framboise : 0.4 V 0.5 %Rouge-burn : 0.7 V 11 %Vert-noir 0.75 V 10-11 %Colorants organiques : 0.8 V ou plus 10 %

Tableau .6 Quelques exemples des motifs de couleur

Il faut aussi savoir que le colorant est toujours superposé à l’électrolyte, l’électrolyte actuel (liquide) étant légèrement jaune il influence la couleur de la cellule.


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6- Commercialisation de la première cellule solaire à colorant

Les premières cellules à colorant réalisées sur films plastiques devraient être commercialisées en 2008 par la société japonaise Dai Nippon Printing Co., ltd.

Les cellules solaires réalisées sur films souples ont généralement une faible efficacité car ce support ne permet pas de traitements à haute température, ce qui limite les possibilités d'élaboration.

Dai Nippon a réussi à développer une technique dans laquelle la couche active est déposée sur un substrat métallique (ce qui permet de s'affranchir des contraintes de la haute température) puis transférée sur le film plastique. L'étape sous vide pour réaliser l’électrolyte réduit la productivité. Par un procédé développé par cette société, elle a été supprimée en utilisant un électrolyte sous forme de gel. Le semi-conducteur utilisé est TiO2.

Le prototype mesure 30x30 cm2 pour 250 microns d'épaisseur et a une efficacité de 7,1%.

Des tests ont montré qu'il fonctionnait correctement pendant au moins 1000 heures à 65°C. Le constructeur indique qu'il pense pouvoir améliorer le rendement jusqu'à 10%. [65]

Parallèlement, l’équipe de scientifiques souhaite intégrer ces cellules dans des tissus ou vêtements pour permettre d’alimenter des appareils électroniques portables ou des batteries. Ces cellules pourraient être fabriquées en divers coloris, assurant ainsi leur popularité. Le professeur Jürgen Caro, directeur de l’institut, explique que "les cellules traditionnelles en silicium fonctionnent bien mais leur fabrication reste très coûteuse car elle implique des procédés hautes températures consommant beaucoup d’énergie". Les nouveaux prototypes, en dioxyde de titane, sont déjà en vente. Leur fabrication requiert toujours des températures élevées, de l’ordre de 450 degrés Celsius, mais les scientifiques de Hanovre cherchent à améliorer les procédés pour une fabrication idéalement à température ambiante.

L’étape déterminante dans la fabrication de cellules solaires souples à base de colorant est l’élaboration de films d’oxyde semi-conducteur à des températures suffisamment faibles pour ne pas endommager le substrat plastique conducteur. Dans ce domaine, l’université Leibniz de Hanovre est capable de développer les films d’oxyde de zinc poreux les plus performants au monde.


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7- Applications actuelles et futures

7-1 Applications actuelles

Théoriquement, la tension délivrée par la cellule à colorant dépend du gap du colorant. Mais en pratique, elle correspond à la différence de potentiel des électrons dans le TiO2 et le potentiel redox. De ce fait, contrairement aux photopiles à silicium cristallin, elle décroît peu avec l’éclairement. Ce qui permet des applications d’intérieur à faible éclairement telles que les affichages, les montres, et la tapisserie. [60]

G24i commercialise un chargeur pour téléphone portable qui peut être emmené lors de randonnées ou d’expéditions dans des endroits où le réseau électrique n’est pas disponible.

Aisin Seiki a monté un système pour montrer les possibilités esthétiques de ces cellules, ainsi que leur inspiration

végétale lors de l’exposition universelle de 2005.

On a proposé d’utiliser des cellules coulées dans du polyuréthane dans des parois anti‐bruits pour les autoroutes.

Une montre développée par Asulab utilisait une cellule transparente comme vitre pour recharger la batterie. [60]

Modules DSSC à Kariya (Japon) inclinaison 35° exposition sud [64]


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8- Perspectives « vision à 10 ans »

Actuellement des recherches sont effectuées sur l’électrolyte solide ; cela permettra d’avoir des cellules sans problèmes d’étanchéité, par exemple des rouleaux qu’on pourra découper directement à la longueur voulue.

Une meilleure maîtrise de l’étape de la cuisson permettra également de créer des cellules flexibles entièrement sur substrat polymère, qui pourront donc être transparentes. Les cellules transparentes ont l’avantage de récupérer la lumière qui arrive depuis les deux cotés de la cellule.

La pâte de TiO2

est actuellement déposée par sérigraphie (éventuellement

par étalage pour les petites cellules prototypes en laboratoire), limitant ainsi la géométrie. Un procédé de sprayage est étudié actuellement, qui permettra à l’ avenir de créer des cellules à surface non plane.

Du côté des colorants, on ne s’attend pas à atteindre des rendements beaucoup plus hauts que 11‐13%, mais la palette de couleur devrait s’élargir et proposer plus de colorants organiques stables dans des tons différents.

Les cellules elles‐mêmes pourront atteindre un rendement de plus de 11% en laboratoire. Pour des rendements plus élevés, la combinaison des piles solaires à colorant avec la technologie des piles solaires à couche mince pourraient atteindre 15%.

Enfin, une fois la production industrielle lancée, les cellules à colorant offriront une solution intéressante avec un bon rapport qualité prix. [60]

9- Conclusion

L’objectif de notre étude bibliographique était de caractériser la cellule solaire à colorant. Nous l’avons située parmi les autres types de cellules solaires. Trois types de cellules ont été présentés : cellules inorganiques, cellules organiques et cellules à colorant.

Les cellules solaires à colorant ont un fonctionnement différent des cellules organiques et inorganiques. Et ce principe de fonctionnement trouve son origine dans la photosynthèse.

Ces cellules donnent des rendements comparables à ceux des cellules inorganiques à couches minces et ont des coûts de fabrication aussi bas que les cellules organiques.


108

L’avenir des cellules solaires à colorant est prometteur. Des premières cellules vont être commercialisées en 2008 et elles présentent un rendement de 7.7%. Et le NEDO prévoit d’obtenir un rendement de conversion de 15% d’ici 2030.

Application futures

Maison de l’avenir

Vitrine commerciale

Station de recharge photovoltaïque à

colorant

La première voiture photovoltaïque basée sur

des DSSCs [64]


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ConclusionGénérale

Conclusion Générale

110

CONCLUSION GENERALE

L'application de Dye Solar Cells (DSC) dans de nombreuses technologies et de nouveaux produits est d'au moins un an avant, selon Dyesol, une entreprise leader dans le secteur à croissance rapide DSC. La technologie DSC a encore du chemin à parcourir pour rattraper avec la nature. Vous voyez, la technologie DSC est basé sur le processus par lequel les plantes transforment la lumière en énergie et la stocker. Les plantes qui utilisent la photosynthèse fonctionner 24/7, même quand le soleil ne brille pas. Essentiellement, c'est du travail de ces longues heures qui se révéleront d'énergie plus efficace que DSC à base de silicium des cellules solaires. La bio-inspirés DSC est plus puissant dans un large éventail de la lumière et des conditions de température et de sa flexibilité matérielle, il est facile d'être intégrés dans de nombreux matériaux couramment utilisés à partir d'acier dans l'industrie du bâtiment au tissu dans l'industrie textile. DSC sera également beaucoup moins coûteux que le silicium à base de cellules solaires et ne laissera pas l'empreinte de carbone que les actuelles centrales solaires font. En bref, l'application de la technologie DSC existants et nouveaux matériaux va être révolutionnaire, en changeant la façon dont nous interagissons avec plusieurs de nos environnements.

Dans le chapitre 1 les questions générales de conversion de l'énergie photovoltaïque ont été discutées. Marché mondial des PV a été prévue pour dépasser 350 MW par an en 2001 avec les systèmes PV connectés au réseau que l'application dominante. Le photovoltaïque est une technologie énergétique viable: Le temps de récupération d'énergie de la grille d'aujourd'hui connecté sur le toit installations est sensiblement inférieur à leur durée de vie prévue, les émissions de CO2 pendant leur cycle de vie est nettement inférieure à celle des centrales à combustibles fossiles, et la technologie pour le recyclage des piles solaires existe déjà.

La nécessité de la réduction du coût des cellules solaires reste donc que la force motrice pour le développement matériel photovoltaïque. La réduction des coûts de cellules solaires pourraient en principe être recherchée à travers deux stratégies différentes en donnant la priorité soit à la haute l'efficacité des cellules ou au faible coût de fabrication, les matériaux moléculaires PV discutés dans cette étude appartenant à la première place à la stratégie de ce dernier.

Les technologies dominantes de cellules photovoltaïques comme ont été bien détaillé dans le chapitre 2, sont monocristallines et polycristallines de silicium tel que le silicium amorphe, CdTe, CIS et silicium en couches mince sont activement développés. De l'autre classique des cellules photovoltaïques, les cellules semi-conducteurs III-VI, sont généralement trop coûteuse pour des applications terrestres et les cellules Organique cellules solaires qui sont à base de matériaux semi-


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conducteurs organiques qui ont un électron p de configuration orbitale ressemblant à la structure de bandes des semi-conducteurs inorganiques qui vont de la photoélectrochimique solaire standard sont restés dans le laboratoire niveau en raison de problèmes photocorrosion.

Ainsi dans le chapitre 3, nous avons déterminés la notion de biomimétisme qui place les partisans de la théorie de l'évolution au centre d'un cercle vicieux, commence à se répandre et à dominer la pensée scientifique. Ainsi, une autre branche a également vu le jour : la biomimétique ou la science qui consiste à imiter le comportement des créatures vivantes.

La technologie standard DSSC a été introduite dans le chapitre 4 par une systématique revue de la littérature sur les matériaux et les méthodes de préparation essentiel de la cellule. La technologie standard DSSC est basé sur une électrode de TiO2 nanostructurés fritté déposé par sérigraphie ou coulage en bande d'une solution colloïdale sur TiO2 SnO2: F verre à couche, un colorant à base de Ru métallo-organiques, une I-/I- liquide à base de nitrile 3 (N3) électrolyte redox, un catalyseur de platine thermique de la contre-électrode et certains additifs chimiques destinés à améliorer la performance de la pile. Ainsi la situation actuelle et des orientations importantes du développement de la technologie DSSC ont été examinées dans ce chapitre.

Le procédé de fabrication simple et l'équipement relativement peu coûteux et les installations nécessaires sont les principaux avantages de la technologie DSSCs sur les technologies PV d'autres.

Des recherches futures visant à améliorer les processus fondamentaux dans la cellule photovoltaïque par les nouveaux matériaux et méthodes de préparation se poursuit également, le contrôle de la cinétique photoélectrochemical par niveau d'ingénierie moléculaire de la nanocristal /colorant /électrolyte étant le problème le plus important.

Dans l'ensemble, le développement de matériaux organiques PV n'est qu'à un stade précoce et sans matériaux ou surpassant nettement concepts de dispositifs n'ont pas encore émergé. Recherche efforts sont nécessaires pour améliorer les propriétés des matériaux » photophysiques, la physique des dispositifs des cellules et le contrôle de la morphologie de l'échelle du nanomètre donneur-accepteur mélange de matériaux.

Le nouveau matériau moléculaire PV peut être considéré comme intéressant l'avenir des solutions de rechange pour les matériaux photovoltaïques classiques. L'incorporation de ces matériaux avec les grandes échelles des procédés


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de fabrication pourrait ouvrir de nouvelles orientations pour le développementdu faible coût des cellules solaires à l'avenir.

SUGGESTIONS DE RECHERCHE

La recherche sur les cellules solaires à colorant est assez interdisciplinaire impliquant les différents domaines d'expertise tels que photoélectrochimie, électrochimie des électrolytes et de catalyseurs, de la chimie électroanalytiques, chimie quantique, la science des colloïdes, la physique des semi-conducteurs, de la spectroscopie laser, chimie organique de synthèse, la modélisation informatique et combinaison de chercheurs ayant une formation dans différents domaines est évidemment nécessaire pour un succès de la recherche de base avec les DSSCs.

La cellule solaire à colorant a été en développement pendant une période relativement longue par rapport à un certain nombre d'approches de la prochaine génération d'autres. La plupart des associés de la communauté PV les problèmes et les questions de la cellule à colorant principalement avec du colorant. Les matériaux utilisés pour la teinture sont coûteux aujourd'hui, parce que c'est une molécule de spécialité, mais ces matériaux ne doivent pas être Showstoppers de coût ou de disponibilité dans l'avenir. La fabrication est extrêmement faible coût, car il n'y a pas d'équipement à vide en cause. Toutefois, le colorant liquide et une interface solide-liquide soulever certaines questions au sujet de la durée de vie de 30 ans. Gels et les teintures solides sont à l'étude, mais n'ont pas encore fourni les mêmes niveaux de performance que les dessins originaux. En général, beaucoup s'inquiéter de la viabilité à long terme de cette technologie. Cependant, il ya eu quelques essais encourageants achevés qui indiquent que ce ne peut atteindre le niveau de fiabilité en concurrence avec d'autres approches PV. Il reste un membre sérieux de l'approche de deuxième génération avec des en cours de fabrication de prototype.

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[49] Op.cit. (cf. note 6)

[50] Op.cit. (cf. note 7)

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Titre

Etude et adaptation des cellules biologiques photosensibles à des microsystèmes optoélectroniques

Résumé

L’énergie solaire photovoltaïque est une énergie renouvelable car elle utilise une source d’énergie d’origine naturelle qui est le soleil. Elle constitue donc une alternative aux énergies fossiles à plusieurs titres : elle est inépuisable, elle peut être produite localement et selon les besoins locaux, elle préserve l’environnement car elle n’émet pas de gaz à effet de serre, ne produit pas de déchets et n’entraîne aucun risque majeur et aucune nuisance significative. Ces dernières années, de nombreuses voies de recherches se sont donc orientées vers l’utilisation de cette énergie et sont pilotées que la nature est un bon professeur, la regarder travailler donne des idées. Comme la photosynthèse, cette superbe chimie qui capte la lumière et la transforme en nourriture pour les plantes. Et qu’il faut l’inspirer pour produire une énergie utile à l'homme. Le Professeur Grätzel et le Dr. O’Regan en 1991 ont développés cette idée sur les cellules photovoltaïques à colorant (CPC), sont une alternative peu coûteuse aux dispositifs classiques à jonction p-n, qui différencie les fonctions d'absorption de la lumière et de séparation des charges électrique et qui nécessitent des matériaux extrêmement purs et des processus de fabrication sophistiqués.Elles offrent, par leur simplicité de fabrication, l'espoir d'une réduction significative du prix de l’électricité solaire. Ici, nous présentons l’état actuel du champ, discuter des nouveaux concepts de la cellule solaire à colorant nanocristallin (DSC), y compris les variantes hétérojonction et d'analyser les perspectives pour le développement futur de cette technologie.

Mots clés : Dispositif organique, cellules solaire à colorant, biomimétique, matériaux photovoltaïque organique

Title

Study and adaptation of biological cells photosensitive to microsystems optoelectronics

Abstract

The photovoltaic solar energy is a renewable energy because it uses a source of energy of natural origin which is the sun. It thus establishes an alternative in the fossil fuels in many respects: it is inexhaustible, can be produced locally and according to the local needs, protects the environment because it does not emit greenhouse gas and does not produce waste and does not entail no major risk and no nuisance significative. These last years, numerous ways of researches thus turned to the use of this energy and are piloted that the nature is a good professor, watch at it working give ideas. As the photosynthesis, this magnificent chemistry which gets the light and transforms it into food for plants. And that it is necessary to inspire it to produce energy useful for the man. Professor Grätzel and Dr O' Regan in 1991 developed this idea on the photovoltaic cells coloring ( PCC), are a little expensive alternative in the classic devices with junction p-n, who differentiates the functions of absorption of the light and the electric separation of loads and who require extremely pure materials and sophisticated manufacturing processes. They offer, by their simplicity of manufacturing, the hope of a significant reduction of the prize of the solar electricity. Here, we present the current state of the field, to discuss new concepts of the solar cell to nanocrystalline coloringagent (DSC), including the variants heterojunction and to analyze the perspectives for the future development of this technology.

Keywords: Organic device, Dye-sensitized solar cells, biomimetic, organic photovoltaic materials

Mémoire - univ-usto.dz

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