Dans les régions à fort ensoleillement, les systèmes photovoltaïques à concentration (CPV) sont utilisés par les centrales de grande capacité pour générer de l’énergie électrique à partir du soleil.
Avec cette technologie, il est possible de convertir en électricité près de deux fois plus de rayonnement solaire qu’avec les technologies traditionnelles à base de silicium. Issue de travaux de recherche en laboratoire débutés il y a plusieurs années, cette technologie contribue aujourd’hui à une échelle industrielle à la transition énergétique. A l’heure actuelle, des milliers de modules photovoltaïques à concentration fabriqués industriellement suivent la course du soleil dans des centrales solaires de grande capacité. Dans chaque module, des lentilles concentrent 500 fois la lumière du soleil sur de petites cellules solaires à multi-jonctions, qui la convertissent avec des rendements élevés en énergie électrique.
La remise du Prix allemand 2012 de l’environnement au Dr. Andreas Bett, de l’Institut Fraunhofer des Systèmes Energétiques Solaires ISE, et à Hansjörg Lerchenmüller, Directeur général de Soitec Solar GmbH, pour leurs travaux en matière de recherche et de développement industriel confirme le succès de la technologie photovoltaïque à concentration.
Initialement développée par l’institut Fraunhofer ISE, cette technologie a été reprise et mise en oeuvre par Soitec Solar. Günther Cramer, co-fondateur et président du conseil d’administration de SMA Solar Technology AG, est le troisième lauréat de l’édition 2012 du Prix allemand de l’environnement. Celui-ci sera remis aux lauréats par le Président allemand, Joachim Gauck, le 28 octobre 2012 à Leipzig.
Depuis de nombreuses années, la recherche et l’industrie travaillent sur les composants et systèmes d’énergie solaire, qu’ils rendent de plus en plus performants et par conséquent plus compétitifs sur le marché. Outre les cellules solaires conventionnelles à base de silicium, d’autres technologies de cellules adaptées à des applications spécifiques ont été commercialisées avec succès. L’une d’elles est la technologie photovoltaïque à concentration (CPV), spécifiquement conçue pour être utilisée par de grandes centrales, capables de générer de quelques mégawatts à plusieurs centaines de mégawatts d’électricité, sur des sites bénéficiant d’un fort ensoleillement direct. Les centrales utilisant la technologie photovoltaïque à concentration sont de construction modulaire et donc évolutives. Cette technologie, qui allie une cellule de conception spéciale à une lentille et un système de tracking bi-axial, offre une capacité de conversion deux fois supérieure à celle des technologies photovoltaïques traditionnelles à base de silicium. Pour les fabricants de systèmes CPV comme Soitec Solar, les pays bénéficiant d’un fort ensoleillement direct, à l’image de l’Afrique du Sud ou des Etats-Unis, constituent d’importants débouchés.
La production d’électricité dans les centrales solaires utilisant la technologie CPV est assurée par des cellules solaires miniaturisées à multi-jonctions, dont le diamètre est d’à peine 3 mm.
Contrairement aux cellules solaires à base de silicium, dotées d’un seul type de semi-conducteur, les cellules solaires à multi-jonctions sont constituées d’un empilement de divers semi-conducteurs des colonnes III-V du tableau périodique, en l’occurrence le phosphure de gallium-indium, l’arséniure de gallium-indium et le germanium. Chacun de ces semi-conducteurs convertit différentes plages de longueur d’onde de lumière en électricité. Grâce aux lentilles de Fresnel, la lumière du soleil est concentrée 500 fois avant d’atteindre les cellules solaires à multi-jonctions.
« Une lentille optique peu onéreuse concentre les rayons du soleil et permet une utilisation économique des semi-conducteurs, au coût comparativement élevé, dont est doté le système. Selon le facteur de concentration, seul 1/500ème à 1/1000ème du matériau semi-conducteur est requis, tout en continuant à améliorer les rendements des cellules solaires » a indiqué le Dr. Andreas Bett, Directeur de la division « Matériaux – Cellules solaires et Technologies » et Directeur adjoint du Fraunhofer ISE.
Comme le soulignent les deux lauréats à Fribourg, le plus important pour une exploitation rentable et économique de grandes centrales CPV est l’interaction entre les divers composants.
Cette interaction joue un rôle déterminant dans la construction des modules, leur connexion ainsi que pour l’ensemble des technologies du système et des contrôles de processus. « Outre le rendement énergétique des modules photovoltaïques à concentration, fabriqués par Soitec Solar, qui est actuellement de l’ordre de 30 %, nous utilisons des matériaux d’un bon rapport qualité-prix. Ces deux facteurs conjugués, matériaux à faibles coûts et rendements élevés, sont la condition sine qua non d’une production d’électricité optimisée » a expliqué Hansjörg Lerchenmüller, Directeur général de Soitec Solar GmbH à Fribourg. En 2009, Andreas Bett et son équipe ont obtenu, en conditions de laboratoire, un rendement de 41,1 %, un record mondial, avec une cellule photovoltaïque à multi-jonctions constituée de semi-conducteurs III-V. Pour mrs. Bett et Lerchenmüller, des rendements supérieurs sont envisageables dans les années à venir pour les cellules solaires comme pour les modules.
A l’Institut Fraunhofer ISE, Andreas Bett et son équipe, constituée d’une cinquantaine de chercheurs, s’emploient à améliorer encore le rendement énergétique des cellules solaires à multi-jonctions.
Dans le Concentrator Technology ConTEC, un laboratoire spécialement équipé, ils travaillent par ailleurs à l’optimisation de la construction des modules photovoltaïques à concentration. En France, des travaux conjoints sont ainsi menés avec le CEA-Leti, tandis que des investissements industriels sont réalisés par Soitec sur son site de Grenoble pour mettre au point une nouvelle génération de cellules à haute performance.
En parallèle, Soitec s’attache à accroître dans le monde entier la capacité installée de centrales solaires CPV. La société française s’est dotée d’une ligne de production automatisée de 70 MWp pour la fabrication des modules CPV à Fribourg, en Allemagne. Actuellement, une usine de production de modules, d’une capacité de 280 MWp, est en cours de construction à San Diego, en Californie. Des signes de bon augure qui laissent entrevoir une poursuite de l’expansion dans ce domaine et de nouveaux rendements record. Pour Andreas Bett et Hansjörg Lerchenmüller, recevoir le Prix allemand de l’environnement est, « outre un signe de reconnaissance et un facteur de motivation, un très grand plaisir ».
« Andreas Bett et Hansjörg Lerchenmüller ont apporté une contribution clé pour le développement de cette technologie photovoltaïque à concentration particulièrement innovante, fiable et au rendement élevé » a estimé Gaetan Borgers, Vice-président exécutif de la division Energie solaire de Soitec. « Soitec exploite aujourd’hui à Fribourg l’une des lignes de production de modules CPV les plus modernes. Notre capacité installée représente déjà plus de 10 MWp dans le monde ». Et le Prof. Eicke R. Weber, Directeur de l’Institut Fraunhofer ISE, de se réjouir : « Le Prix allemand de l’environnement décerné au tandem gagnant Fraunhofer ISE-Soitec Solar témoigne clairement de l’importance des technologies photovoltaïques innovantes dans l’approvisionnement mondial en énergie »
bonne idée Soitec d’avoir su racheter l’allemand Concentrix.