Dans un contexte climatique et énergétique tendu, l'énergie solaire, abondante et gratuite, fait l'objet de nombreuses recherches. Cette ressource peut être utilisée de plusieurs façons mais c'est la transformation directe du rayonnement solaire en électricité, le photovoltaïque, qui concentre aujourd'hui le plus de recherches tant pour l'intégration au bâti que pour baisser les prix des composants. Il est question d'améliorer à la fois les performances des matériels et la compétitivité économique de la filière. Les cellules photovoltaïques qui composent les modules font à ce titre l'objet de toutes les attentions.

Un développement de la filière Française impulsé en 2005…

La France a donné, en 2005 une impulsion à cette énergie selon trois axes stratégiques de développement : subvention de la filière pour la rendre plus compétitive, soutien à la filière industriel et constitution d'un Institut qui puisse aider les industriels à se développer et favoriser le transfert rapide de l'innovation vers l'industrie : l'Institut national de l'énergie solaire (INES).

Notre objectif est de faire exister la France dans le secteur du photovoltaïque. Jusqu'il y a peu, on était très en retard, notamment vis-à-vis de l'Allemagne et du Japon, a estimé Jean Pierre Joly, directeur général de l'INES, lors d'une présentation à la presse des dernières avancées technologiques dans ce secteur. Créé en 2006, l'INES regroupe à proximité de Chambéry les principaux acteurs français de la recherche (quel que soit leur établissement de rattachement : CEA, CNRS, Universités, CSTB) dans le domaine de l'énergie solaire. Il y a encore quatre ans, seule une soixantaine de personnes réparties dans une vingtaine de laboratoires travaillait sur ces sujets. Or, si l'on veut être crédible, il faut être 200, comme en Allemagne à Friburg, explique Didier Marsacq, directeur du CEA (Commissariat à l'énergie atomique) - Institut Liten (laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux) qui apporte la plus grande part du financement à cet établissement. L'institut, qui a permis de concentrer les efforts et les moyens sur le sujet, devrait donc prochainement regrouper 250 personnes fin 2011 (chercheurs, formateurs et industriels) sur un site de 12 000 m2. Entre 2006 et 2009, les projets collaboratifs sont passés de 3 millions d'euros à 15 millions d'euros, commente Didier Marsacq. Cette forte croissance illustre la forte demande qu'il y'avait de la part des industriels français et des PME dans le soutien de la R&D sur ces sujets. Depuis la création de l'INES, quatre entités se sont créées ou sont en cours de création : PV Alliance, Genehpi, start-up sur la modélisation des performances énergétiques des bâtiments, Prollion sur la production de batterie et enfin Photosil qui s'intéresse à la production de silicium.
Aujourd'hui, selon le directeur du CEA - Institut Liten, l'INES fait partie des 4 plateformes qui sont identifiés au niveau européen aux côtés de l'IMEC, centre européen de recherche en matière de microélectronique, ECN, centre de recherche sur l'Energie des Pays-Bas et l'Institut Fraunhofer des systèmes énergétiques solaires (ISE) en Allemagne.

…renforcé par le Grenelle

L'Institut commence, en outre, à récolter les fruits du Grenelle de l'Environnement. Il est chargé (mesure 48 du Grenelle) de lancer une plateforme d'étude de la performance et du vieillissement des cellules photovoltaïques et de regarder la possibilité de lancer l'industrialisation des technologies en couche mince sur substrat flexibles. Le CEA a également été identifié (mesure 49) pour mettre en place des plateformes dédiées au stockage électrochimique. Quatre projets de plates-formes ont d'ores et déjà été présélectionnés et présentés par Olivier Appert, président de l'Institut Français du Pétrole (IFP), et Bernard Bogot, administrateur général du Commissariat à l'Energie Atomique (CEA). Ils portent sur les essais intégrés des véhicules décarbonés innovants (Mov'eo-DEDGE), les capteurs environnementaux pour les bâtiments (HELIOS), la mesure des performances des systèmes photovoltaïques (PROMOSOL) et la caractérisation des performances des batteries (STEEVE). Ces nouvelles plateformes vont se traduire par la création de nouveaux bâtiments au sein de l'INES, souligne Didier Marsacq.

Rendre la technologie plus abordable et attractive

Mais pour que la France se positionne parmi les meilleurs, des efforts de recherches sont indispensables. Les recherches conduites au sein de l'Institut national de l'énergie solaire visent à perfectionner les cellules photovoltaïques à haut rendement et faible coût utilisant des semi-conducteurs organiques (plastique) mais aussi celles des cellules en silicium cristallin. À l'heure actuelle, les installations les plus commercialisées sont à base de Silicium, un élément intéressant grâce à sa structure atomique. Utilisé majoritairement sous sa forme cristalline (silicium polycristallin ou monocristallin), le silicium est à la base d'une technologie éprouvée et robuste dont l'espérance de vie atteint 25 ans. La matière première est abondante, la technologie fiable avec des garanties de 25 ans et les rendements de conversion importants et des possiblités non exploités de réduction du prix de WattC, explique Jean-Pierre Joly. On a fait un choix de travailler sur la technologie de silicium cristallin entre autres parce que c'est la technologie majoritaire et l'on pense qu'il y'a encore beaucoup de R&D à mener sur le sujet, a précisé Jean-Pierre Joly qui estime que le prix du photovoltaïque doit être divisé par trois. L'objectif étant de franchir la barre de l'euro par WattC (Watt crête) à l'échelle du module photovoltaïque et des deux euros par WattC installé.

Pour accroître l'attractivité de l'énergie solaire photovoltaïque, il est nécessaire de réduire la contrainte liée au caractère aléatoire et intermittent de la production. Les recherches sur le stockage de l'énergie constituent, à ce titre, un axe stratégique. Les chercheurs envisagent également la mise en place de nouveaux modes de gestion de l'énergie et inscrivent leurs travaux dans une approche globale qui prend en compte l'efficacité énergétique des bâtiments et la gestion des réseaux électriques.

Il est par ailleurs obligatoire d'augmenter les rendements de conversion des cellules photovoltaïques et de développer des processus de fabrication moins onéreux car le silicium coûte cher. Entre début 2007 et fin 2008, le prix du kilogramme de silicium a ainsi triplé, passant de 40 à plus de 120 euros. Développer les technologies « couche mince », plus économes en silicium, est une voie souvent citée, indique le CEA. S'attaquer à ce problème en amont par la mise au point d'un nouveau procédé bas coût d'élaboration de silicium « de qualité solaire » en est une autre. Le CEA et ses partenaires ont ainsi mis au point un procédé de purification, le procédé PHOTOSIL. Objectif : obtenir un minerai de silicium aux alentours de 25 € le kg notamment en divisant le temps de purification par deux et baisser les coûts des systèmes photovoltaïques de 25 %. Il est important de travailler sur tous les maillons de la chaîne pour faire baisser les coûts, note Jean-Pierre Joly.

Afin d'accélérer le processus d'innovation dans le domaine des cellules photovoltaïques en silicium, le CEA a créé avec les industriels EDF Energies Nouvelles et Photowatt, la société PV Alliance, implantée à Bourgoin-Jallieu (Isère). La société est financée par ses créateurs, les collectivités territoriales et l'Etat via un projet soumis à Oseo-Innovation : Solar Nano Crystal. Son laboratoire pilote (Lab-Fab) devrait être opérationnel mi-2009. Il validera à une échelle industrielle les innovations issues des laboratoires de recherche. On a fait le pari de la recherche et du développement pour monter une industrie en France, explique Éric Laborde, le directeur de PV Alliance. Le potentiel français en matière d'énergie photovoltaïque est encore peu exploité. Les tarifs de rachat fixés sont extrêmement avantageux (60 centimes le kilowattheure en cas d'intégration au bâti, ce qui constitue un record mondial), avec des contrats garantis sur 20 ans, fait remarquer le CEA. Cette conjoncture tout à fait favorable devrait faire de la France un des acteurs majeurs de l'énergie solaire, ce qui n'échappe pas aux industriels étrangers qui regardent avec beaucoup d'intérêt le marché français.