Date : 09/08/2010

Auteur : Olivier

Notes : mise en page Sylvie (08/2010)

A faire encore : liens sur les mots soulignés !

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui lorsqu’il est exposé au spectre solaire génère une tension électrique par effet photovoltaïque.

Toutes les cellules sont créées à partir de matériaux semi-conducteurs. La plupart du temps, c’est le silicium (Si) qui est utilisé mais on rencontre aussi le sulfure de cadmium (CdS), le tellure de cadmium (CdTE), des alliages de cuivre indium et sélénium (CIS),…

Trois technologies principales de cellules existent suivant leur mode de production :

1ère génération : cellules cristallines

Ces cellules, généralement en silicium, ne comprennent qu’une seule jonction p-n. La technique de fabrication de ces cellules, basée sur la production de « wafers » à partir d’un silicium très pure, reste très énergivore et coûteuse. La limite théorique de rendement de ce type de cellule est de ±27%. Les cellules les plus récentes s’approchent chaque année de plus en plus de cette limite.

Méthode de fabrication : le cristal formé par refroidissement du silicium en fusion dans des creusets parallélépipédiques est ensuite découpé en fines tranches appelées « wafers ». Les cellules sont alors obtenues après « dopage » et traitement de surface.

On distingue deux types de cellules cristallines :

Les cellules polycristallines

Le refroidissement du silicium en fusion est effectué dans des creusets parallélépipédiques à fond plat. Par cette technique, des cristaux orientés de manière irrégulière se forment. Cela donne l’aspect caractéristique de ces cellules bleutées présentant des motifs générés par les cristaux.

Rendement

16-18 % (On obtient ainsi une puissance de 160 à 180 Wc par m²)
Ces cellules restent les plus utilisées du fait du rapport performance/prix plus intéressant que celui de leurs homologues monocristallins.

Avantage

  • Rapport performance/prix.

Inconvénient

Les cellules monocristallines

Ces cellules sont constituées de cristaux très purs obtenus par un contrôle strict et progressif du refroidissement du silicium.

Rendement

17-20 % (On obtient ainsi une puissance de 170 à 200 Wc par m²).
Sans entrer dans le détail, si aujourd’hui les cellules sont de type « Al-BSF » (aluminium back surface field) l’évolution vers des cellules « PERC » (passived emitter and rear cell) permettra prochainement de monter à ± 23 % tandis que les cellules à hétérojonctions promettent déjà d’atteindre les 26 %. (26.6 % déjà obtenu en laboratoire)

Avantage

  • Très bon rendement.

Inconvénients

  • Coût élevé.
  • Rendement faible sous éclairement réduit.

2ème génération : couches minces « thin films »

Dans le cas de « couches minces », le semi conducteur est directement déposé par vaporisation sur un matériau support (du verre par exemple). Le silicium amorphe (a-Si) (silicium non cristallisé de couleur gris foncé), le tellurure de cadmium (CdTe), le disélénium de cuivre indium (CIS) font notamment partie de cette génération. Ce sont des cellules de cette technologie que l’on retrouve dans les montres, calculatrices,… dites solaires !

Le silicium amorphe

Rendement

6 à 7 % soit 60-70 Wc/m².

Avantages

  • Moins coûteux que la première génération puisqu’elle consomme moins de matériau semi-conducteur.
  • Moins polluant à la fabrication (Ne nécessite pas de passer par l’étape de transformation du silicium en « wafers » (moins énergivores)).
  • Fonctionnent avec éclairement faible.
  • Moins sensible à l’ombrage et aux élévations de température.
  • Possibilité de créer des panneaux souples.
  • Panneaux légers.

Inconvénients

  • Rendement global plus faible.
  • Rendement moindre sous éclairement direct.
  • Diminution de performance avec le temps plus importante.

Le tellure de Cadnium, Disélénium de cuivre indium (avec ou sans Gallium)

Il existe d’autres types de cellules « couches minces » : tellurure de cadmium (CdTe), le disélénium de cuivre indium (CIS),…

Le CdTe présente de bonnes performances, mais la toxicité du cadmium reste problématique pour sa production.

Rendement

11 à 15 % soit 110-150 Wc/m². En laboratoire, les cellules ont déjà atteint le rendement record [2017] de 21,7 % pour des cellules CIGS ! De quoi concurrencer les homologues cristallins !

Avantages

  • Fonctionnent avec éclairement faible.
  • Moins sensible à l’ombrage et aux élévations de température.
  • Possibilité de créer des panneaux souples.
  • Panneaux légers.

Inconvénients

  • Rendement global plus faible en ce qui concerne les cellules commercialisées.
  • Rendement moindre sous éclairement direct.
  • Diminution de performance avec le temps plus importante.
  • Durée de vie moins grande que les cellules cristallines.

3ème génération : Perovskites, multijonction, concentration, …

Pour améliorer les rendements des cellules, la recherche se tourne actuellement vers plusieurs pistes dont notamment :

  • Les Cellules Pérovskites sont des cellules composées d’un élément hybride organique-inorganique ayant une structure de pérovskite.

  • Ces cellules sont apparues en 2000 avec un rendement de 3,8 %. Depuis, en 2016, le rendement est passé à 22,1 % ce qui en fait une alternative prometteuse ! Leur coût de production est faible. L’inconvénient de ces cellules réside dans leur instabilité et faible résistance aux agents extérieurs (eau, températures…). Néanmoins bon nombre de recherches prometteuses sont en cours et devraient finir de rendre ce type de cellules rapidement intéressantes.
  • Cellules multicouches : superposition de multiples cellules aux propriétés différentes (utilisant des bandes d’énergie différentes permettant un balayage plus large du spectre solaire). Ce type de cellules est déjà commercialisé, mais principalement pour des applications spatiales. Les rendements obtenus sous concentration sont très prometteurs (au délà de 30 %)..

      1. Sunlight spectrum ;
      2. Tunnel junctions ;
      3. Cell 1, cell 2, cell 3.

    Structure d’une cellule triple-jonction.

  • Cellules à concentration (permet d’utiliser des photons à basse énergie qui ne sont habituellement pas absorbés par la cellule).
  • Cellules organiques,…

Conclusion

  • Les cellules cristallines à jonction simple se rapprochent de leur performance ultime théorique (± 27 %).
  • Les TF-PV (ThinFilm PV) s’améliorent très rapidement et commencent à concurrencer les cellules cristallines en terme de rendement.
  • Les Cellules à Perovskites sont un nouveau matériau plein de potentie.
  • Les Tandems Silicones-Cristallins semblent être la voie à suivre pour atteindre des rendements supérieurs à 30 % à faible coûts.
    [imec]

Courtesy of M. Hermle, Fraunhofer ISE.