le blog de l’energie solaire

photo credit: coincoyote Une nouvelle approche pour la conception de cellules photovoltaïques à bas prix de type cellules Grätzel vient d’être proposée par une équipe de chercheurs de l’Univesity of Washington. L’équipe dirigée par le professeur Guozhong Cao a présenté récemment ses résultats au meeting international de l’American Chemical Society à la Nouvelle Orléans.

Contrairement aux cellules solaires traditionnelles à base de Silicium, les cellules de Graetzel (inventées en 1991 par le Suisse Michael Graetzel) différencient les fonctions d’absorption de la lumière et de séparation des charges électriques. Un sensibilisateur (colorant organique) est greffé à la surface d’un oxyde semiconducteur sous la forme d’une couche monomoléculaire. Sous illumination, le colorant absorbe les photons incidents et gagne suffisemment d’énergie pour pouvoir injecter un électron dans la bande de conduction de l’oxyde semiconducteur, en général des particules de dioxyde de titane (TiO2). Ces cellules sont très prometteuses car les matériaux qu’elles utilisent et leur fabrication est très économique. Bien que leur efficacité reste inférieure aux cellules à base de silicium, de sulfure de cadmium ou de tellurure de cadmium, le rapport prix/performance est très compétitif. Les laboratoires actuels arrivent à des rendements de 11% environ avec ce type de cellules, ce qui représente environ la moitié de ce qui peut être obtenu avec les cellules à base de silicium (voir le rapport “Recherche et Industrie photovoltaïque aux Etats-Unis”, 01/06/2006, [1]).

Au lieu d’utiliser les particules de TiO2, l’équipe de Guozhong a fabriqué des nanosphères d’oxyde de zinc (ZnO) de 15nm de diamètre qui sont ensuite agglomérées en nanoparticules de 300 nm de diamètre. Ces grandes sphères diffusent les rayons incidents et à la suite de multiples réflexions, les rayons parcourent une distance bien plus importante que dans les cellules classiques. De plus, la structure interne complexe des agglomérats se traduit par une surface spécifique très importante d’environ 100 m2 par gramme de matériau, laquelle est recouverte du matériau photosensible qui absorbe le rayonnement incident. En utilisant ce type de matériau constitué d’agglomérats de nanosphères, les chercheurs ont obtenu un rendement de 6.2% contre 2.4% pour les structures à base de simples billes de ZnO. Même si les performances obtenues sont moins bonnes qu’avec les cellules utilisant le TiO2, les résultats obtenus permettent de prouver la validité du concept avec un matériau simple d’utilisation comme le ZnO. L’objectif de l’équipe est maintenant de transférer cette approche au TiO2. Les performances maximales atteintes pour les cellules de Graetzel en TiO2 sont proches de 11%, soit déjà deux fois plus que les cellules organiques à polymère, et d’après Guozhong le concept développé permettra de dépasser significativement ce seuil. Ces cellules offrent, par leur simplicité de fabrication, l’espoir d’une réduction significative du coût de l’électricité solaire.

Cette recherche est soutenue par la National Science Foundation, le Department of Energy, le Washington Technology Center et l’Air Force Office for Scientific research.

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L’Académie nationale de l’ingénierie américaine (NAE) a publié le 15 février 2008 les “14 grands défis pour l’ingénierie de demain”, sélectionnés par un comité de spécialistes parmi lesquels on notera entre autres, Craig Venter, Ray Kurzweil, Larry Page, cofondateur de Google et Danny Hillis, créateur de Freebase et collaborateur, avec Brian Eno et Steward Brand, au projet d’”horloge du long maintenant“.

photo credit: Pascal Vuylsteker
Parmi la liste de ces quatorze travaux d’Hercule qui s’adressent aux ingénieurs de demain :

* Rendre économique l’énergie solaire. Aujourd’hui, les cellules photovoltaïques sont capables de convertir environ 20% de la lumière du soleil en énergie. Certains travaux expérimentaux peuvent faire monter l’efficacité jusqu’à 40%. La nanotechnologie, notamment grâce aux nanocristaux, pourrait théoriquement augmenter ce facteur jusqu’à 60%… Outre une meilleure production d’énergie solaire, l’Académie appelle également à réfléchir au stockage, notamment en envisageant d’imiter le vivant et son usage de la photosynthèse.

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La capitale de l’Ouest vient de marquer un pas notoire en faveur du développement durable. “Nous voulons nous engager dans la production d’énergie, être exemplaire en terme d’utilisation et de production propre”, affiche Alain Bénard. Saint Paul ne peut plus ignorer cette précieuse ressource naturelle qui nous vient du ciel. Le territoire bénéficie d’un taux d’ensoleillement exceptionnel. Dans cette optique, une stratégie de développement vient de voir le jour : “Identifier le potentiel solaire en chauffe-eau et en photovoltaïque, systématiser la production de cette énergie sur les Zac, quartiers, villages, intégrer des leviers légaux et incitatifs.” Une ambition qui s’appuie sur la compétence de l’Agence réunionnaise de l’énergie Réunion (Arer). “Comme les autres villes, les deux tiers de l’électricité saint pauloise sont sales. On peut les remplacer par du solaire”, affirme Laurent Gautret, directeur technique et logistique. “La commune présente de nombreuses surfaces à exploiter par du photovoltaïque”. Les estimations font état de 20 000 foyers possibles à équiper en chauffe-eau solaire. Conséquence directe : l’économie de 30 GWh, soit 1,3 % de la production réunionnaise. Gain total sur 10 ans et 20 000 ménages : 25 millions d’euros.

Une cellule photovoltaïque (ou photopile) est un dispositif qui transforme l’énergie lumineuse en courant électrique.

La première photopile a été développée aux États-Unis en 1954 par les chercheurs des laboratoires Bell, qui ont découvert que la photosensibilité du silicium pouvait être augmentée en ajoutant des “impuretés”. C’est une technique appelée le “dopage” qui est utilisée pour tous les semi-conducteurs. Mais en dépit de l’intérêt des scientifiques au cours des années, ce n’est que lors de la course vers l’espace que les cellules ont quitté les laboratoires. - En effet, les photopiles représentent la solution idéale pour satisfaire les besoins en électricité à bord des satellites, ainsi que dans tout site isolé. Mais aussi pour produire un courant électrique sans pollution pour alimenter les réseaux de distribution.

Les cellules monocristallines
sont les photopiles de la première génération, elles sont élaborées à partir d’un bloc de silicium cristallisé en un seul cristal. Les cellules sont rondes ou presque carrées et, vues de près, elles ont une couleur uniforme.
Elles ont un rendement de 12 à 16%, mais la méthode de production est laborieuse.

Les cellules polycristallines sont élaborées à partir d’un bloc de silicium cristallisé en forme de cristaux multiples. Vues de près, on peut voir les orientations différentes des cristaux (tonalités différentes).
Elles ont un un rendement de 11 à 16%, mais leur coût de production est moins élevé que les cellules mono-cristallines.

Les modules photovoltaïques amorphes
ont un coût de production bien plus bas, mais malheureusement leur rendement n’est que 6 à 10% actuellement. Cette technologie permet d’utiliser des couches très minces de silicium qui sont appliquées sur du verre, du plastique souple ou du métal, par un procédé de vaporisation sous vide.

Les cellules monocristallines et polycristallines sont les plus répandues et étant fragiles, elles sont placées entre deux plaques de verre afin de former un module qui est relativement lourd. Le matériau de base est le silicium qui est très abondant, cependant la qualité nécessaire pour réaliser les cellules doit être d’une très grande pureté et son coût intervient de façon important dans le coût total. La pénurie actuelle (2006) de silicium de qualité, a créé une tension sur le marché et une augmentation du prix des cellules.
Les produits à film mince utilisent peu de matière première. Ils servent pour des applications électriques de faible puissance, comme des montres, des calculatrices, etc. Mais aussi plus récemment, comme revêtement des matériaux de toiture, comme des tuiles et des membranes étanches.

Les applications de générateurs photovoltaïques

- Alimentations électriques faibles telles que les calculettes ou les chargeurs de piles. Des modules PV fournissent du courant continu pour n’importe quel appareil alimenté par des piles.

- Installations autonomes comme les balises en mer, les lampadaires urbains ou les maisons en sites isolés, elles nécessitent le plus souvent un stockage de l’électricité à l’aide d’accumulateurs. S’il faut du courant alternatif, il faut ajouter et un onduleur.

- Installations ou centrales photovoltaïques connectées au réseau.
Un générateur photovoltaïque connecté au réseau n’a pas besoin de stockage d’énergie et élimine donc le maillon le plus problématique (et le plus cher) d’une installation autonome. C’est en fait le réseau dans son ensemble qui sert de réservoir d’énergie.