Énergie solaire photovoltaïque et nanocience en Cidemco
2006/12/01 Machado García, Maider - Fisikan doktoreaCidemco zentro teknologikoa Iturria: Elhuyar aldizkaria
Le marché photovoltaïque actuel offre des systèmes fiables. Cependant, son coût reste peu compétitif par rapport aux autres sources de production d'électricité. Il est donc impératif de réduire le coût de ces systèmes.
Dans le secteur des cellules photovoltaïques prédominent les cellules basées sur les olates de silicium cristallin. La matière première de base est le silicium. La nature est riche en silicium et ses caractéristiques sont bien caractérisées au niveau scientifique. Tout cela a été favorisé, dans une large mesure, par l'énorme développement d'une industrie microélectronique basée sur le silicium, qui a contribué à l'acquisition d'une connaissance plus large et expérience en la matière.
Ces dernières années, la recherche sur l'énergie solaire photovoltaïque a porté sur la réduction de la consommation de silicium et la réduction des coûts dans le processus de production des modules, ainsi que sur l'augmentation de l'efficacité des systèmes.
La production de ces cellules nécessite un silicium sans impuretés, de moins en moins présent dans la nature. C'est pourquoi, comme mentionné précédemment, il convient de réduire la consommation de silicium. Dans le même temps, le prix des systèmes photovoltaïques augmente. Les entreprises fournissant ce matériel à l'industrie photovoltaïque fournissent également à l'industrie microélectronique. Cette pénurie de prévisions a généré un certain nombre de problèmes qui ne seront pas résolus à court terme. En fait, on pourrait aussi utiliser du silicium avec un degré plus élevé d'impureté obtenu avec des techniques plus économiques.
Ces techniques sont actuellement développées et optimisées. Cependant, pour cela, de nombreuses plantes productives seront mises en place. Les experts travaillent sur cette tâche, mais à court terme, les ateliers de production ne pourront pas être mis en place pour approvisionner l'industrie photovoltaïque.
Par ailleurs, dans le processus de production des olatas, il existe un certain nombre d'étapes dans lesquelles on peut étudier la possibilité d'optimiser l'utilisation du silicium en une seule étape, ainsi que les techniques de recyclage.
Augmenter l'efficacité
Un autre facteur important pour réduire le coût des systèmes photovoltaïques est l'augmentation de l'efficacité des cellules et des modules. Si l'efficacité des systèmes était augmentée de 1%, le coût des systèmes serait réduit d'environ 5% par watt (Wp).
L'efficacité des cellules de silicium cristallin dans le laboratoire ne dépasse pas 24,7%. L'efficacité des cellules commerciales est nettement inférieure. Actuellement, l'efficacité des panneaux photovoltaïques commerciaux varie entre 5% et 15%. Ces chiffres sont améliorables, mais cela suppose un grand effort de recherche. L'utilisation d'approches innovantes peut représenter entre 10% et 30% d'efficacité dans les années à venir. Actuellement, ces panneaux coûtent environ 3 euros/Wp. À court ou moyen terme, ils attendent une valeur de 2 euros/Wp, 1 euro/Wp à moyen ou long terme et 0,5 euros/Wp à long terme.
Dans le domaine de l'efficacité énergétique du centre technologique Cidemco se développent divers projets de recherche sur les énergies renouvelables (solaire photovoltaïque, solaire thermique, refroidissement solaire et biocarburants).
Actuellement, les études d'énergie solaire photovoltaïque à Cidemco se concentrent sur deux domaines: d'une part, nous voulons intégrer l'énergie solaire photovoltaïque dans la construction et, d'autre part, nous voulons optimiser les processus de transformation de l'énergie solaire en électricité au niveau des atomes. Pour cela, nous utilisons des techniques théoriques et expérimentales bien connues dans le domaine des nanosciences et de la nanotechnologie.
Nouveaux matériaux semi-conducteurs
Au niveau théorique, nous prétendons développer de nouveaux matériaux semi-conducteurs à travers des méthodes avancées de simulation de calcul basées sur la physique quantique. Ces nouveaux matériaux auront des niveaux énergétiques optimisés pour produire de l'électricité. Ces matériaux sont appelés semi-conducteurs à bande intermédiaire et peuvent être appropriés pour la production de cellules photovoltaïques à haute efficacité.
Ces semi-conducteurs intermédiaires présentent un niveau d'énergie supplémentaire dans la structure de leurs niveaux d'énergie --bandes -. Ainsi, on utilise des photons solaires qui ne pourraient pas être utilisés à d'autres occasions pour produire de l'électricité. Par conséquent, l'utilisation de tous ces photons solaires augmenterait l'efficacité du processus de transformation de l'énergie solaire en énergie électrique, tant que le matériel de ces caractéristiques était trouvé. Théoriquement, l'utilisation de ce type de cellules entraînerait une efficacité de 63%.
Il faut donc une recherche fondamentale visant au développement de nouveaux matériaux semi-conducteurs. Ces matériaux serviront de base à des cellules plus efficaces que les cellules photovoltaïques actuelles disponibles sur le marché.
Nous travaillons également à l'amélioration de deux produits de base de l'industrie des cellules photovoltaïques, d'un point de vue plus expérimental : le copolymère d'acétate de vinyle (EVA), utilisé dans le verre et les capsules de panneaux photovoltaïques. Tout cela en collaboration avec une importante entreprise du secteur du verre et le principal producteur et distributeur européen d'EVA. En outre, le travail scientifique est réalisé en collaboration permanente avec plusieurs universités.
En général, les cellules solaires sont structurées en vitre-eva-semi-conducteur -eva-fer arrière. Dans les panneaux photovoltaïques, on utilise principalement du verre trempé et très transparent, c'est-à-dire avec peu de sel de fer. Il laisse passer 91% de la lumière et a une épaisseur de 3 à 4 mm, structuré pour refléter la moindre quantité de lumière possible et faciliter l'accès de la lumière au matériau semi-conducteur. L'EVA, utilisée pour l'encapsulation, en plus d'être optiquement transparente, est stable à des températures élevées et des doses élevées de rayonnement ultraviolet.
Essayer de concentrer la lumière du soleil
En outre, nous voulons analyser le comportement de ces nouveaux systèmes sous l'influence de la lumière solaire concentrée. Les transitions électroniques sont très non-linéaires, donc nous considérons que l'utilisation de la lumière solaire concentrée peut considérablement augmenter l'efficacité de ces nouveaux systèmes.
Pour cela, nous développons à Cidemco un système de concentration solaire. Ce système contribuera aux essais nécessaires et servira de base pour de nouveaux projets.
L'approche proposée présente un certain nombre d'avantages, parmi lesquels il faut souligner qu'une fois identifié le matériel de caractéristiques adéquates, il peut être implanté dans le verre que les cellules ont sur elles ou incorporé directement au matériel semi-conducteur à travers EVA, sans altérer le matériel photovoltaïque. Techniquement, cette méthode est mieux que d'autres comme l'introduction de défauts dans le silicium. Cela peut affecter dans certains cas l'efficacité cellulaire. La méthode peut également être appliquée à d'autres types de cellules (CIGS, CdTe, AsGa, etc.) en examinant les principes actifs.
Ce processus de recherche vise à augmenter l'efficacité des cellules photovoltaïques de silicium actuelles d'environ 2-3%. Cela aura des conséquences importantes pour l'industrie photovoltaïque nationale et internationale. Ces résultats seraient intégrés à la fois dans le verre et EVA de manière simple et économique, et ainsi:
On obtiendrait d'augmenter l'efficacité des systèmes photovoltaïques et d'accélérer leur amortissement. Les conclusions de ce projet de recherche serviront de point de départ pour le développement optimisé du verre et de EVA, la production à grande échelle et la commercialisation du produit par les entreprises participantes.
