Pour le photovoltaïque, la concentration pour un haut rendement…
Issu du Hors-série du Journal du photovoltaïque d’EurObserv’er, l’article fait référence au panneau photovoltaïque à concentration dont la technique consiste à concentrer la lumière par la mise en œuvre de miroirs paraboliques ou de lentilles de Fresnel, un dispositif concentrateur entre le soleil et la cellule qui permettent d’élever la densité du flux énergétique et d’obtenir des cellules à rendement très supérieur par rapport aux modules classiques.
Parmi les technologies photovoltaïques existantes ou en développement, se détache la filière des cellules multijonctions à concentration. Elle permet d’obtenir des rendements nettement plus élevés, le record ayant été obtenu récemment avec une cellule à quatre jonctions.
Depuis quelques années se développent des cellules dites à concentration. Elles font appel à des systèmes optiques qui focalisent la lumière sur une petite surface de matériaux semi-conducteurs. Cela permet à la fois de réduire la quantité de matériau nécessaire et d’augmenter les rendements. Ces techniques de concentration sont notamment très utilisées avec des cellules multijonctions composées d’empilement de couches de matériaux semi-conducteurs III-V (souvent des alliages dérivés de l’arséniure de gallium) absorbant des longueurs d’onde différentes. En théorie, plus il y a de couches, plus on balaie l’intégralité du spectre solaire et meilleur est le rendement. Ces cellules sont ainsi très prometteuses, mais elles coûtent cher à produire. Industrialisées depuis longtemps, elles ont au départ été cantonnées à des niches comme les filières spatiales.
Les techniques de concentration ont permis de développer leur utilisation terrestre. Le record de rendement a récemment été obtenu par le Français Soitec, en partenariat avec l’institut Fraunhofer pour les Systèmes Énergétiques Solaires (ISE), le CEA-Leti et le Centre Helmholtz de Berlin, avec une cellule à quatre jonctions. L’entreprise a réussi en septembre 2013 à convertir 44,7 % de l’énergie du spectre solaire, allant de l’ultra-violet jusqu’à l’infrarouge, en énergie électrique grâce à un facteur de concentration de 297. Le précédent record de 44,4 % était détenu par le Japonais Sharp avec une cellule trois jonctions et un facteur de concentration de 302. Actuellement, les modules vendus par Soitec ont un rendement de 31,8 %. Ils sont constitués de cellules commerciales trois jonctions à 40 % de rendement avec un facteur de concentration de 500.
En 2015, la société espère commencer à utiliser ses propres cellules dans ses panneaux et passer un cap. « Les cellules à trois jonctions saturent en efficacité alors que la nôtre a un potentiel supérieur à 50 %, explique Jocelyne Wasselin, vice-présidente développement de la “smart cell”. Nous sommes les premiers à utiliser des cellules quatre jonctions sous concentration et nous espérons arriver à augmenter de façon importante les rendements de nos modules. Nos premiers essais sont encourageants. »
Les systèmes à concentration sont particulièrement indiqués dans des régions à fort ensoleillement, bénéficiant d’un pourcentage élevé de rayonnement direct. Ils sont souvent utilisés avec des trackers solaires, un ou deux axes, qui permettent au module d’être constamment à la verticale du soleil et d’améliorer encore la production d’électricité.