2. Cellules photovoltaïques
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Défis solaire Cellules photovoltaïques Table des matières 1. Principe de fonctionnement..............................................................................................................2 1.1. Effet photoélectrique.....................................................................................................................3 1.2. Semi-conducteur............................................................................................................................3 2. Cellules photovoltaïques..................................................................................................................5 2.1. Silicium amorphe...........................................................................................................................5 2.2. Silicium monocristallin.................................................................................................................5 2.3. Silicium polycristallin...................................................................................................................6 2.4. Cellule tandem...............................................................................................................................6 2.5. Cellule CIGS.................................................................................................................................7 2.6. Cellule organique...........................................................................................................................7 2.7. Cellule multi-jonction....................................................................................................................8 2.8. Cellule CdTe..................................................................................................................................8 2.9. Pérovskite......................................................................................................................................9 Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), produit de l’électricité grâce à l’effet photovoltaïque qui est à l’origine du phénomène. Le courant obtenu est proportionnel à la puissance lumineuse incidente. La cellule photovoltaïque délivre une tension continue. cellules_photovoltaiques.odt 1 Défis solaire 1. Principe de fonctionnement Dans un semi-conducteur exposé à la lumière, un photon d'énergie suffisante arrache un électron, créant au passage un « trou ». Normalement, l'électron trouve rapidement un trou pour se replacer, et l'énergie apportée par le photon est ainsi dissipée. Le principe d'une cellule photovoltaïque est de forcer les électrons et les trous à se diriger chacun vers une face opposée du matériau au lieu de se recombiner simplement en son sein : ainsi, il apparaîtra une différence de potentiel et donc une tension entre les deux faces, comme dans une pile. L'une des solutions, couramment utilisée, pour extraire sélectivement les électrons et les trous utilise un champ électrique au moyen d'une jonction PN, entre deux couches dopées respectivement P et N : • La couche supérieure de la cellule est composée d'un semi-conducteur dopé N. Dans cette couche, il existe une quantité d'électrons libres supérieure à celle du matériau intrinsèque (i.e. non dopé), d'où l'appellation de dopage N, comme négatif (charge de l'électron). Le matériau reste électriquement neutre : c'est le réseau cristallin qui supporte globalement une charge négative. • La couche inférieure de la cellule est composée d'un semi-conducteur dopé P. Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d'électrons libres inférieure à celle du matériau intrinsèque (i.e. non dopé), les électrons sont liés au réseau cristallin qui, en conséquence, est chargé positivement. La conduction électrique est assurée par des trous, positifs (P). Au moment de la création de la jonction P-N, les électrons libres de la région N rentrent dans la couche P et vont se recombiner avec les trous de la région P. Il existera ainsi, pendant toute la vie de la jonction, une charge positive de la région N au bord de la jonction (parce que les électrons en sont partis) et une charge négative dans la région P au bord de la jonction (parce que les trous en ont disparu) ; l'ensemble forme la Zone de Charge d'Espace (ZCE) et il existe un champ électrique entre les deux, de N vers P. Ce champ électrique fait de la ZCE une diode, qui ne permet le passage du courant que dans un sens : les électrons peuvent passer de la région P vers la région N, mais pas en sens inverse ; inversement les trous ne passent que de N vers P. En fonctionnement, quand un photon arrache un électron à la matrice, créant un électron libre et un trou, sous l'effet de ce champ électrique ils partent chacun à l'opposé : les électrons s'accumulent dans la région N (qui devient le pôle négatif), tandis que les trous s'accumulent dans la couche dopée P (qui devient le pôle positif). Ce phénomène est plus efficace dans la ZCE, où il n'y a pratiquement plus de porteurs de charges (électrons ou trous) puisqu'ils se sont annihilés, ou à proximité immédiate de la ZCE : lorsqu'un photon y crée une paire électron-trou, ils se séparent et ont peu de chance de rencontrer leur opposé, alors que si la création a lieu plus loin de la jonction, l'électron (respectivement le trou) nouveau conserve une grande chance de se recombiner avant d'atteindre la zone N (respectivement la zone P). Mais la ZCE est très mince, aussi n'est-il pas utile de donner une grande épaisseur à la cellule. D'un point de vue électrique, une cellule photovoltaïque est l'équivalent d'un générateur de courant auquel on a adjoint une diode. Il faut ajouter des contacts électriques (qui laissent passer la lumière en face éclairée : en pratique, on utilise un contact par une grille), une couche antireflet pour assurer une bonne absorption des photons, etc. Pour que la cellule fonctionne, et produise le maximum de courant, on ajuste le gap du semiconducteur au niveau d'énergie des photons. On peut éventuellement empiler les jonctions, de façon cellules_photovoltaiques.odt 2 Défis solaire à exploiter au mieux le spectre d'énergie des photons, ce qui donne les cellules multi-jonctions. 1.1. Effet photoélectrique L'effet photoélectrique (EPE) désigne en premier lieu l'émission d'électrons par un matériau soumis à l'action de la lumière. Par extension, il regroupe parfois l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau provoqués par l'action de la lumière. On distinguera alors deux effets : des électrons sont éjectés du matériau (émission photoélectrique) et une modification de la conductivité du matériau (photoconductivité, effet photovoltaïque lorsqu'il est en œuvre au sein d'une cellule photovoltaïque, effet photoélectrochimique, effet photorésistif). Lorsque l'EPE se manifeste, toute l'énergie du photon incident se transmet à l'électron périphérique. Une quantité d'énergie minimale est nécessaire pour extraire l'électron de l'atome, l'énergie excédentaire est transmise à l'électron sous forme d'énergie cinétique. Les photons de la source lumineuse possèdent une énergie caractéristique déterminée par la fréquence de la lumière. Lorsqu'un électron du matériau absorbe un photon et que l'énergie de celui-ci est suffisante, l'électron est éjecté; sinon l'électron ne peut s'échapper du matériau. Comme augmenter l'intensité de la source lumineuse ne change pas l'énergie des photons mais seulement leur nombre, on comprend aisément que l'énergie des électrons émis par le matériau ne dépend pas de l'intensité de la source lumineuse. L'énergie d'un photon est caractérisée par : E = h . ν, hypothèse posée par Planck. E : énergie du photon (J) ν : fréquence de la radiation monochromatique h : constante de Planck qui vaut 6,626076×10-34 J.s On constate que l'énergie du photon est proportionnelle à la fréquence et varie donc en fonction de la radiation. 1.2. Semi-conducteur Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant électrique, quoique faible, est suffisamment importante. En d'autres termes, la conductivité électrique d'un semi-conducteur est intermédiaire entre celle des métaux et celle des isolants. Le comportement électrique des semi-conducteurs est généralement modélisé à l'aide de la théorie des bandes d'énergie. Ce modèle stipule qu'un électron dans un solide ne peut que prendre des valeurs d'énergie comprises dans certains intervalles que l'on nomme « bandes », plus spécifiquement bandes permises, lesquelles sont séparées par d'autres « bandes » appelées bandes d'énergie interdites ou bandes interdites. Deux bandes d'énergie permises jouent un rôle particulier : • la dernière bande complètement remplie, appelée « bande de valence » • la bande d'énergie permise suivante appelée « bande de conduction » cellules_photovoltaiques.odt 3 Défis solaire La bande de valence est riche en électrons mais ne participe pas aux phénomènes de conduction (pour les électrons). La bande de conduction, quant à elle, est soit vide (comme aux températures proches du zéro absolu dans un semi-conducteur) soit semi-remplie (comme dans le cas des métaux) d'électrons. Cependant c'est elle qui permet aux électrons de circuler dans le solide. Dans les conducteurs (métaux), la bande de conduction et la bande de valence se chevauchent. Les électrons peuvent donc passer directement de la bande de valence à la bande de conduction et circuler dans tout le solide. Dans un semi-conducteur, comme dans un isolant, ces deux bandes sont séparées par une bande interdite, appelée couramment par son équivalent anglais plus court « gap ». L'unique différence entre un semi-conducteur et un isolant est la largeur de cette bande interdite, largeur qui donne à chacun ses propriétés respectives. Dans un isolant cette valeur est si grande (aux alentours de 6 eV pour le diamant par exemple) que les électrons ne peuvent passer de la bande valence à la bande de conduction: les électrons ne circulent pas dans le solide. Dans les semi-conducteurs cette valeur est plus petite (1,12 eV pour le silicium, 0,66 eV pour le germanium, 2,26 eV pour le phosphure de gallium). Si on apporte cette énergie (ou plus) aux électrons, par exemple en chauffant le matériau, ou en lui appliquant un champ électromagnétique, ou encore dans certains cas en l'illuminant, les électrons sont alors capables de passer de la bande de valence à la bande de conduction, et de circuler dans le matériau. cellules_photovoltaiques.odt 4 Défis solaire 2. Cellules photovoltaïques La production des cellules photovoltaïques nécessite de l'énergie, et on estime qu'un module photovoltaïque doit fonctionner environ deux à trois ans suivant sa technique de fabrication pour produire l'énergie qui a été nécessaire à sa fabrication (retour énergétique du module). Les matériaux et procédés de fabrication font l'objet de programmes de recherches pour réduire les coûts de possession et de recyclage des cellules photovoltaïques. En 2006 et 2007, la croissance de la production mondiale de panneaux solaires a été freinée par manque de silicium, et les prix des cellules n'ont pas baissé autant qu'espéré. L'industrie cherche à faire baisser la quantité de silicium utilisé. Les cellules monocristallines sont passées de 300 microns d'épaisseur à 200 et on pense maintenant atteindre rapidement les 180 puis 150 microns, diminuant la quantité de silicium et d'énergie nécessaire, mais aussi les prix. 2.1. Silicium amorphe Les cellules photovoltaïques en silicium amorphe sont fabriquées par dépôts sous vide, à partir de plusieurs gaz, une des techniques les plus utilisées étant la PECVD. La cellule est gris très foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites « solaires ». Avantages : • fonctionne avec un éclairement faible ou diffus (même par temps couvert, y compris sous éclairage artificiel de 20 à 3000 lux), • un peu moins chère que les autres techniques, • intégration sur supports souples ou rigides. • rendement de 10 % Inconvénients : • rendement faible en plein soleil, de 5 % à 7 % • nécessité de couvrir des surfaces plus importantes que lors de l’utilisation de silicium cristallin (ratio Wc/m² plus faible, environ 60 Wc/m²)1 • performances qui diminuent avec le temps dans les premiers temps d'exposition à la lumière naturelle (3-6 mois), pour se stabiliser ensuite. 1 Wc : Watt crête (http://fr.wikipedia.org/wiki/Watt-cr%C3%AAte) cellules_photovoltaiques.odt 5 Défis solaire 2.2. Silicium monocristallin Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme. Avantages : • bon rendement, de 14 % à 16 % (~150 Wc/m²) • nombre de fabricants élevé. Inconvénients : • coût élevé ; • rendement plus faible sous un faible éclairement ou un éclairement diffus ; • baisse du rendement quand la température augmente. 2.3. Silicium polycristallin Pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs cristaux. La cellule photovoltaïque est d'aspect bleuté, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux. Avantages : • cellule carrée (à coins arrondis dans le cas du Si monocristallin) permettant un meilleur foisonnement dans un module, • bon rendement de conversion, environ 100 Wc/m², mais cependant un peu moins bon que pour le monocristallin, • rendement de 9 à 11 % • moins cher à produire que le monocristallin. Inconvénient : • rendement faible sous un faible éclairement ou soleil diffus 2.4. Cellule tandem Empilement monolithique de deux cellules simples. En combinant deux cellules (couche mince de silicium amorphe sur silicium cristallin par exemple) absorbant dans des domaines spectraux connexes, on améliore le rendement théorique par rapport à des cellules simples distinctes, qu'elles soient amorphes, cristallines ou microcristallines. Avantage : • sensibilité élevée sur une large plage de longueur d'onde. • Excellent rendement. Inconvénient : • coût élevé dû à la superposition de deux cellules. cellules_photovoltaiques.odt 6 Défis solaire 2.5. Cellule CIGS Dans l'alliage CIGS, la concentration d'indium et de gallium peut varier entre du séléniure de cuivre et d'indium pur, et du séléniure de cuivre et de gallium pur. L'alliage CIGS entre principalement dans la fabrication d'une cellule solaire utilisée sous forme d’une couche mince polycristalline, comme dans les cellules de première génération issues du silicium, elles utilisent le principe de la jonction PN. La différence est que la structure du CIGS forme une jonction complexe constituée de matériaux de natures différentes (hétéro-jonction) de type CIGS(p)/CdS(n)/ZnO(n) dans les dispositifs à plus haut rendement. Une inquiétude cependant : les ressources en matières premières. Ces nouvelles techniques utilisent des métaux rares comme l'indium dont la production mondiale est de 25 tonnes par an et le prix d'avril 2007 de 1 000 dollars le kg ; le tellure dont la production mondiale est de 250 tonnes par an ; le gallium d'une production de 55 tonnes par an ; le germanium d'une production de 90 tonnes l'an. Bien que les quantités de ces matières premières nécessaires à la fabrication des cellules solaires soient infinitésimales, un développement massif mondial des panneaux solaires photovoltaïques en couches minces sans silicium ne manquerait pas de se heurter à cette disponibilité physique limitée. Avantage : • rendement de 13% à 14% Inconvénient : • très polluant à cause du Cadmium 2.6. Cellule organique Les cellules photovoltaïques organiques sont des cellules photovoltaïques dont au moins la couche active est constituée de molécules organiques. Tout comme leurs pendants inorganiques, les cellules solaires organiques utilisent l'effet photovoltaïque pour transformer l’énergie lumineuse en électricité. L'effet est basé sur les propriétés de matériaux semi-conducteurs. Dans un semi-conducteur inorganique, où on peut facilement contrôler les champs internes avec le dopage, l'électron excité peut alors se déplacer jusqu'aux électrodes, générant ainsi un champ électrique externe. La situation est plus complexe dans un matériau organique à cause de la faible conductivité électrique, la faible constante diélectrique et la morphologie complexe qui empêchent un dopage contrôlé, et qui cellules_photovoltaiques.odt 7 Défis solaire diminuent l'écrantage. Ainsi, dans ces matériaux, une charge est généralement confinée à une molécule ou au mieux quelques-unes. Les électrons excités restent ainsi liés aux trous, formant un exciton, et ne peuvent se séparer aux interfaces du dispositifs. L'exciton peut également se recombiner après un certain temps, de façon radiative (en émettant de la lumière) ou non, détruisant ainsi les porteurs de charges. Avantage : • rendement de 5 % à 8 % 2.7. Cellule multi-jonction Des cellules ayant une grande efficacité ont été développées pour des applications spatiales. Les cellules multi-jonctions sont constituées de plusieurs couches minces qui utilisent l'épitaxie (croissance orientée, l'un par rapport à l'autre, de deux cristaux possédant un certain nombre d'éléments de symétrie communs dans leurs réseaux cristallins) par jet moléculaire. Une cellule triple jonction, par exemple, est constituée des semi-conducteurs GaAs, Ge et GaInP2. Chaque type de semi-conducteur est caractérisé par une longueur d'onde maximale au-delà de laquelle il est incapable de convertir le photon en énergie électrique (cf. bande interdite). D'un autre côté, en deçà de cette longueur d'onde, le surplus d'énergie véhiculé par le photon est perdu. D'où l’intérêt de choisir des matériaux avec des longueurs aussi proches les unes des autres que possible (en multipliant leur nombre d'autant) de manière à ce qu'une majorité du spectre solaire soit absorbé, ce qui génère un maximum d'électricité à partir du flux solaire. Avantage : • Excellent rendement de 32 % à 39 % Inconvénient : • coût élevé de l'ordre de USD 40 $/cm². 2.8. Cellule CdTe Le tellurure de cadmium (CdTe) est un matériau cristallin à structure cubique composé de cadmium et de tellure. C'est un produit très stable qui accroît le rendement des panneaux, tout en diminuant leur coût, grâce à une meilleure capacité d'absorption de la lumière (maintien d’une bonne performance en cas de faible luminosité, le matin et en soirée notamment) et à un coefficient thermique bas. Une couche d'absorption en tellurure de cadmium est ainsi placée sur un support de verre puis couverte par une autre plaque de verre qui scelle hermétiquement le panneau. Les modes de production et d'utilisation du CdTe ont permis de réduire l'empreinte carbone des technologies de production de cellules et panneaux photovoltaïques. Dans le domaine des panneaux photovoltaïques, c'est la technique qui a l'empreinte carbone la plus basse pour le cycle de vie. Ce produit, en tant que dérivé du cadmium, est toxique. cellules_photovoltaiques.odt 8 Défis solaire Il est récupérable et recyclable, les filières de récupération et de recyclage apparaissent dans les années 2000, avec par exemple celle de First Solar qui annonçait dès 2008 recycler 90 % (en masse) des déchets de fabrication des modules, mais aussi les modules retournés. Avantage : • rendement de 13% à 15% Inconvénient : • très polluant à cause du Cadmium 2.9. Pérovskite La pérovskite désigne le minéral CaTiO3 (titanate de calcium). Ces nouvelles cellules appartenant à la famille des cellules solaires organiques sont plus abordables et plus faciles à construire. Leur prix est 5 fois moins cher que celui d’une cellule en silicium. Cependant, leur rendement reste faible – autour des 11% – puisqu’elles captent beaucoup moins bien la partie infrarouge des rayons solaires. En théorie, un panneau hybride combinant des cellules pérovskites et des cellules en silicium pourrait dépasser les 30% de conversion. L'autre point fort de ces cellules est leur voltage de 1,2 V. L'intensité de la lumière n'a que peu d'effet sur ce voltage, ce qui permettrait de coupler facilement le système avec une batterie. De plus, la souplesse du film pérovskite lui permet de se courber. cellules_photovoltaiques.odt 9
