Cellules solaires

Le soleil est une étoile, de type naine jaune, la plus proche de la Terre. Autour de lui gravitent les huit planètes et les différents constituants de notre système solaire (comètes, astéroïdes,…). Il émet un rayonnement électromagnétique de différentes longueurs d’ondes (allant des ondes radios aux rayons gamma) produit par les réactions thermonucléaires qui transforment, dans son noyau, l’Hydrogène en Hélium. Cette énergie transmise par rayonnement permet le développement de la vie sur Terre.

Dans cet article, nous nous intéresserons à l'énergie photovoltaïque qui a une importance majeure parmi les autres sources d'énergie renouvelable. Elle est exclusivement dominée par les technologies de semi-conducteur utilisées dans les piles solaires. La demande croissante suscite une recherche permanente de cellules moins chères et plus efficaces.

Nous présenterons les cellules solaires traditionnelles qui convertissent directement la lumière en électricité par l'effet photovoltaïque qui apparaît au niveau de la jonction des semi-conducteurs.

Les cellules photovoltaïques sont des dispositifs à semi-conducteurs de haute pureté (le semi-conducteur conduit l’électricité mieux qu’un isolant et moins bien qu’un métal [1]) produisent de l'électricité du moment qu'elles sont exposées au rayonnement solaire.

 

 

 

1. Composition des cellules photovoltaïques

Les caractéristiques de base des composants d'une cellule photovoltaïque sont les même; la cellule est composée de plusieurs couches [2] :

    - une couche "anti-reflet" sur la face avant dont le but est de faciliter la pénétration d’un maximum de photons à travers la surface et de réduire les pertes par réflexion.
    - une grille conductrice avant " collectrice des électrons " qui sert de cathode (pôle négatif) et qui ne doit pas être sensible à la corrosion. Elle est sous la forme d’un peigne, n'occulte qu'une faible portion de surface (5 à 10 % [3]).
    - une couche de type (n) ayant des porteurs de charge libres négatifs (électrons).
    - une couche dopée (p) ayant des porteurs de charges positives (trous), crée une jonction avec la couche précédente.
    - une surface conductrice en métal "grille collectrice arrière " qui joue le rôle de l'anode (pôle positif).

Les cellules photovoltaïques ne transforment qu’une partie de l’énergie incidente en électricité; le reste étant dissipé sous forme de chaleur [4]. La réflexion du rayonnement incident à la surface de la photopile peut être réduite en la couvrant par une couche antireflet. Il est possible aussi, d'utiliser une couche du semi-conducteur constitué de minuscules pyramides [3] qui piègent les radiations arrivants sous des angles d'incidences différents.

 

2. Principe de la conversion photovoltaïque

L'effet photovoltaïque est la manière la plus élégante de produire de l'électricité. Le terme photovoltaïque vient du grec " photos " qui désigne la lumière et " voltaïque " un mot dérivé du physicien italien Alessandro volta qui a beaucoup contribué à la découverte de l'électricité et d'après qui on a aussi nommé l'unité de tension électrique le "volt".

La conversion photovoltaïque est basée sur l’absorption des photons dont l'énergie est supérieure à l'énergie du gap du semi-conducteur utilisé [2,3]; celle-ci conduit à la génération de paires électron-trou qui sont ensuite séparées grâce à la présence d’un champ électrique permanent à l’interface entre les zones n et p de la jonction. Il en résulte l’apparition d’une différence de potentiel au voisinage de la jonction (entre les contacts métalliques).

La séparation des porteurs est obtenue par un champ électrique [1] qui est le plus souvent généré par la jonction de deux semi-conducteurs de nature et de type différent (hétérojonctions), ou par la barrière de potentiel entre un métal et un semi-conducteur (diode Schottky), ou à l’interface de deux zones d’un même semi-conducteur dont les concentrations en électrons libres sont différentes (homojonction ou jonction p- n).

Pour améliorer le rendement des cellules photovoltaïques, il faut éviter la recombinaison trop rapide des charges (paires électron-trou) qui sont crée par l’absorption des photons solaires et d’augmenter la mobilité des électrons dans le matériau. Pour cela, l’un des facteurs clés est le contrôle du taux d’impuretés dans le semi-conducteur [5].

 

3. Fonctionnement des cellules photovoltaïques

L'énergie électrique disponible aux bornes d’une cellule photovoltaïque est fonction:

-          Des caractéristiques du type de rayonnement: la répartition spectrale, et l’angle d’incidence.

-          La quantité d'énergie reçue.

-          La surface de la cellule, sa forme et ses caractéristiques dimensionnelles (sa           taille) [2].

-          Des conditions ambiantes (météorologiques [3]) de fonctionnement de la cellule photovoltaïque (température de l’environnement, vitesse du vent …).

Le bon fonctionnement d'une cellule nécessite une absorption maximum de la lumière sur tout le spectre solaire; car tous les photons solaires n'ont pas la même énergie [6], et une collecte efficace des porteurs générés par les photons sans perte de ces derniers (diffusion des charges dans le matériau sans disparaître sous l’effet des processus de recombinaison).

La performance des cellules solaires, sous différentes conditions d'éclairage, est illustrée par la caractéristique ou la courbe I-V (relation entre le courant et la tension des cellules). Les cellules photovoltaïques fonctionnent à des tensions relativement stables tandis que le courant continu qu'elles produisent varie avec l'intensité de la lumière. Pour obtenir une puissance suffisante, les cellules sont reliées entre elles [2] et constituent un panneau solaire (encapsulés dans des modules). La puissance électrique fournie dépend de l'intensité de l'ensoleillement; elle est nulle la nuit et maximum quand le soleil est au zénith.En pratique, le module solaire avec la plus grande efficacité aura la plus petite surface et produira plus d'énergie pendant une période déterminée. Le constructeur de systèmes photovoltaïques vend de la puissance et non du rendement, mais en pratique pour des raisons technico-économiques le rendement est un critère très important [5].

le système photovoltaïque comprend généralement [2]: un panneau photovoltaïque, une batterie pour le stockage de l'électricité, une diode anti-retour qui évite que la batterie se décharge dans les panneaux à la nuit, un régulateur qui gère la charge de la batterie afin de lui éviter tout dommage irréversible (trop forte surcharge ou décharge complète), et éventuellement un onduleur pour l’utilisation des appareils en 220V qui transforme le courant continu produit par le générateur photovoltaïque en courant alternatif. L’énergie produite est envoyée dans le réseau électrique de distribution public.

 

4. Rendement énergétique des cellules photovoltaïques

L'efficacité d'une photopile est le rapport entre la puissance à la sortie du module solaire et la puissance des rayons solaires reçue; la connaissance de sa valeur permet d'évaluer les performances des cellules photovoltaïques qui sont dues essentiellement à leurs technologies (structures internes des matériaux utilisés et leurs caractéristiques). Le coût de l’électricité photovoltaïque doit pourtant être réduit pour être compétitif avec les autres sources de production. Ceci nécessitera de nouvelles approches technologiques permettant un abaissement des coûts et/ou une augmentation du rendement de conversion. Les rendements obtenus industriellement sont inférieurs à ceux atteints en laboratoire, et il faut au moins quelque années pour les transposer les résultats de recherche au stade industriel [2]. Aujourd’hui, le rendement maximum atteint plus de 24% [5] en laboratoire pour 12 à 16% au niveau des modules commercialisés. Les modules à base de silicium (amorphe ou cristallin) représentent pratiquement 99% de la production mondiale annuelle (250 MWc) [7]. Les travaux doivent permettre d'améliorer le rendement de conversion et d'envisager une utilisation accrue des matériaux dans le domaine de la production d'énergie.

 

5. Différents matériaux photovoltaïques

La majorité des modules photovoltaïques sont fabriqués à partir de cellules photovoltaïques au silicium cristallin (monocristallin ou polycristallin) ou au silicium amorphe [2]. Chacune a ses avantages; les cellules monocristallines ont une grande efficacité et une longue durée de vie, elles ont été les plus favorisées par l'industrie. Les cellules amorphes ont un coût plus abordable et fonctionnent en faible éclairement [5], mais elles n'offrent pas le meilleur rendement. S’il s’agit de produire de l’énergie de moyenne puissance; la filière actuelle est, sans conteste, le silicium polycristallin, son rendement est presque aussi bon, et son coût nettement moins élevé [5,7].

Le silicium n'est pas le seul matériau photovoltaïque; il existe d’autres matériaux semi-conducteurs binaires et ternairesqui connaissent un développement remarquable dans la technologie des cellules solaires pour permettant un haut rendement. On site quelque uns de ces matériaux qui sont déposées en couches minces:

 

5. 1. Les matériaux III-V

Ces matériaux constituent par la combinaison d’éléments de la colonne III (Ga, In, Al) et de la colonne V (As, Sb); la famille de semi-conducteurs qui a été la plus étudiée pour la conversion photovoltaïque. Les technologies associées à ces matériaux ont atteint une sophistication remarquable dans les années 80 [7], et on permis des rendements très élevés avec des cellules monocristallines multicouches [8] (≈ 30% [2,5]) mais leur coût est très élevé.

 

5.2. Les matériaux II-VI

Une nouvelle classe de matériaux semi-conducteur apparaît aux propriétés ajustables tel que CdTe, CdS, CdSe, (Cd, Hg) Te, ZnTe, ZnS. Ces matériaux possèdent également des absorbeurs très adaptés au spectre solaire [1] (en particulier le CdTe de gap Eg=1,5 eV absorbe prés de 99% de la lumière visible [2]). L’obtention de rendements élevés repose en fait sur l’optimisation de l’ensemble de la structure des cellules de type hétérojonction [1,2,7]: verre/SnO2/CdS/CdTe/contact, éclairée du coté verre à travers le SnO2. La jonction p-n est formée spontanément après recuit entre CdS qui reste n [1] et CdTe qui devient p [8].Un rendement record de 16,4 % a été obtenu en 2001 [7].

 

5.3. Les matériaux I-III-VI2

Les composées I-III-VI2 dits chalcopyrite [1] a un bon fonctionnement pour les cellules solaires en couches minces, ils sont définie par un coefficient d’absorption optique très élevé [2], C’est le cas du CuInSe2 noté CISde réseau cristallin irrégulier et instable.

A partir du CIS par substitution partielle indium/galium ou/et sélenium/soufre, on obtient une famille de composés compatibles entre eux (Cu(In,Ga)(S,Se)2) [7]. Dans ce cas, la structure qui s’est imposée: verre/molybdène/Cu(In,Ga)Se2 –appelé CIGS-/CdS/ZnO, travaille avec un éclairement venant du côté du CIGS (20-30 % de gallium) à travers la couche d’oxyde transparent conducteur de ZnO dopée Al. Un rendement prés de 19 % a été obtenu.

Des travaux faits sur les ternaires de CuGaSe2 et CuInS2 a priori mieux adaptés que le CIGS. Les rendements obtenus sont cependant significativement inférieurs à 10-11% du fait d’une moins bonne qualité de l’interface [7].          

 

5.4. Les oxydes poreux

Une nouvelle génération de cellules photovoltaïque est née ces dernières années, elle est basée sur l’utilisation de colorants. Il s’agit d’un principe nouveau par rapport aux cellules solaires classiques à jonctions [7,8]; la génération des paires électrons-trou est réalisée dans une monocouche de molécules de colorant située à l’interface du semi-conducteur nanocristallin. La cellule doit atteindre actuellement des rendements de 10 %.

 

5.5. Les polymères

L’utilisation des polymères est également considérée dans le domaine de la conversion photovoltaïque. Les jonctions basées uniquement sur des films de polymères conjugués (polythiophène, polyacétylène, polyaniline) qui sont de type donneurs d’électrons [7], ces polymères sont mélangés avec des accepteurs d’électrons (cristal liquide) de façon à séparer les paires électron–trou. Le rendement obtenu est de 2,5 %à cause justement de la nature du mélange et des problèmes de recombinaisons électroniques, plus l'oxydation de la cellule.


Références

[1] Alain Ricaud, "Photopiles solaires", Lausanne, 1997

[2] "Material for photovoltaic", MRS Bulletin (October 1993) 18-67

[3] M.Orgeret, "Les piles solaires; les composant et ses applications", Masson, paris, 1985

[4] Jean-Michel Nunzi, "Organic photovoltaic materials and devices Molecular photonics: Materials, physics and devices", C. R. Physique 3 (2002) 523–542

[5]  Therry lucas, "Photovoltaïque: la course au rendement", Technologies (MAI 1990) 53-59

[6] "Photovoltaic Solar Energy", Conference, Luxembourg (CEE), 1977

[7] Daniel Lincot, "Matériaux pour la conversion photovoltaïque", L'actualité chimique (Mars 2002) 144-148

[8] Richard corkish, "Solar Cells", Encyclopedia of Energy 5 (2004) 545-557

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