cellules photovoltaïques (1/3)

L'une des grandes applications potentielles des semi-conducteurs est la conversion de l'énergie solaire en électricité par le truchement d'une jonction PN spécifique. Dans ce chapitre nous avons l'ambition de présenter les enjeux économiques d'un tel dispositif, l'aspect théorique, les problèmes pratiques et les solutions technologiques imaginées par les chercheurs.

Enjeu économique

"Despite their low power density, renewable sources of energy do seem to present rather fewer environmental problems than the use of fossil fuels or nuclear power.
Solar energy is one such source and is of course indispensable to human life in many ways. Suggestions have been made to extend the use of this energy source to replace fossils fuels and nuclear power for some tasks. Solar energy is permanently available on any human time scale".

Ces quelques lignes extraites du rapport britannique "Energy and the Environment " rédigé par Lord Nathan [1] pour la Royal Society of Arts en 1974, constituent une excellente introduction au problème que nous allons tenter de cerner maintenant.

L'exploitation de l'énergie solaire gratuite et quasi-illimitée suscite évidemment de grands espoirs, la cellule photovoltaïque a priori est l'un des moyens privilégiés de cette exploitation. Il en existe d'autres, mais nous n'aborderons ici que les procédés faisant appel à la photoélectricité dans les jonctions p-n. Exploiter la cellule photovoltaïque est cependant beaucoup plus facile à dire qu'à faire. Les problèmes sont effectivement nombreux :

tout d'abord il y a l'inconstance du rayonnement solaire au niveau du sol, inconstance liée, d'une part, à la position instantanée du soleil et, d'autre part, à l'ennuagement naturel ou provoqué (pollution). D'où il résulte une quantité d'énergie reçue variable dans le temps et non modulable en fonction des besoins instantanés.
Le rayonnement solaire au sol est constitué de trois composantes : le rayonnement direct qui provient du disque solaire lui-même, le rayonnement diffus qui provient de l'ensemble de la voûte céleste et le rayonnement réfléchi par le sol ou albedo.
A titre indicatif nous donnons ci-dessous le rayonnement direct par beau temps, lorsque le soleil est au zénith en Haute Normandie. On peut estimer, dans les mêmes conditions, que le rayonnement diffus sur un plan horizontal représente environ 15% de l'éclairement direct. En ce qui concerne l'albedo, il est évident que la nature du sol intervient : ainsi un sol couvert de neige réfléchit de 60 à 90% de l'éclairement reçu (selon l'état de propreté de la neige), mais seulement 10% pour un sol nu, de 15 à 30% pour une pelouse et de 25 à 40% pour un sable clair.

Ci-dessous un résultat pour la Haute Normandie (au voisinage de l'habitation du rédacteur de ce site) donnant le rayonnement global en kWh/m².Jour. Précisons que ce tableau correspond à une étude effectuée sur une année précise, il n'est donc donné qu'à titre indicatif

paroi orientée sud	verticale	inclinée à 60°	horizontale
janvier	1.75	1.8	0.5
février	2.3	2.35	0.83
mars	3.3	3.9	1.4
avril	2.9	4.0	1.9
mai	2.5	4.1	2.4
juin	2.4	3.9	2.5
juillet	2.45	3.85	2.45
aout	2.6	3.85	2.04
septembre	3.0	3.8	1.45
octobre	2.9	3.0	1.1
novembre	1.9	1.9	0.65
décembre	1.5	1.6	0.45

Le second problème est de nature économique, il faudrait que le solaire photovoltaïque soit compétitif vis à vis des autres énergies. Or si le soleil est gratuit, pour obtenir des résultats quantitatifs intéressants, il va importer de réaliser des capteurs de très grande surface à faible coût de production et de durée de vie importante. En effet, dans le meilleur des cas possible, l'énergie incidente est de 1kW/m² et le rendement théorique maximal d'un dispositif de conversion parfait ne peut dépasser 38% (cf loi de Carnot), mais en réalité on se base sur une énergie moyenne pendant quelques heures par jour d'environ 300W/m² et l'expérience montre que les rendements sont au plus de quelques 16% sur les dispositifs de coût relativement raisonnable d'aujourd'hui.
De fait en 2006, le kilowattheure revient entre 3 et 6 centimes d'euro lorsqu'on le produit à partir d'énergies fossiles comme le pétrole, et encore un peu moins en utilisant un barrage amorti depuis longtemps - entre 2.5 et 3 centimes le kwh. Le prix du photovoltaïque, lui, se situe pour l'instant entre 50 et 65 centimes le kwh. «On espère diviser ce prix par deux dans un moyen terme», relève Arvind Shah de l'Institut de Microtechnologies de Neuchatel. De plus, les calculs de prix du kwh ne prennent pas en compte les coûts externes des énergies fossiles. Il y a la pollution tout d'abord et le fait qu'il s'agit d'énergies non renouvelables qui finiront par s'épuiser.
Cependant une étude de l'Agence Internationale de l'Energie a montré qu'aux Etats Unis 58% des besoins en électricité pourraient être couverts par des cellules photovoltaïques placées sur les toits des bâtiments convenablement orientés. On imagine alors aisément qu'un couplage avec les barrages pourrait satisfaire la quasi totalité des besoins (solaire en été et hydroélectricité en hiver). La situation est moins favorable en Europe, mais l'AIE a cependant montré que plus de 38% des besoins pourraient être couverts par le solaire en Suisse par exemple. Le développement global de l'énergie photovoltaïque est très rapide dans le monde ainsi que le montre le graphique ci-dessous qui ne reflète absolument pas la situation française infiniment plus attentiste.

Enfin pour progresser il faudrait des investissements de recherche importants, or ni les gouvernements, ni les industriels du secteur de l'énergie qui auraient les moyens financiers ne semblent vouloir faire les efforts nécessaires. Il y a à cela plusieurs explications : les gouvernements ne savent pas comment mettre une taxe sur le soleil et une fois passé le stade des grands principes sur le développement durable la plupart se contentent de faire l'autruche, quant aux industriels ils préfèrent gagner beaucoup d'argent avec le pétrole et, dès qu'un inventeur indépendant propose une innovation dans le domaine solaire, ils achètent (à bas prix!) le brevet pour mieux l'enterrer. Les progrès sont donc très limités et aujourd'hui on ne trouve d'application des cellules photovoltaïques, en dehors des dispositifs métrologiques et météorologiques, que pratiquement sur les seules calculettes ou autres convertisseurs franc-euro offerts gratuitement, ainsi que sur quelques dispositifs de sécurité le long de quelques autoroutes et les industriels qui s'intéressent réellement au solaire n'ont en général pas la taille critique pour un développement massif de ces technologies.
Notons que même dans des régions privilégiées comme l'Andalousie les panneaux photovoltaïques sont rarissimes. Cependant en Allemagne le Fraunhofer Institut a un département spécialisé très actif à Freiburg et Gelsenkirchen et l'équipement solaire dans ce pays pourtant peu favorisé par le soleil a commencé à dépasser le simple stade expérimental (plus de 1000 MW installé au début 2005 contre moins de 30 en France et l'écart s'est amplifié depuis puisque certains villages de Forêt Noire voient plus de 80% de leur surface de toiture recouverte de cellules solaires).
Le solaire à grande échelle n'est plus une utopie, et certaines installations pilotes ont déjà prouvé leur efficacité. Ainsi les transports publics mus par un courant continu à basse tension se prêtent particulièrement bien à une liaison directe avec des installations photovoltaïques. De plus les pointes de trafic ont lieu durant la journée, ce qui tombe bien. Les transports publics genevois (TPG) ont ainsi installé une centrale photovoltaïque sur le toit de leur centre de maintenance. En place depuis plusieurs années, cette centrale fournit un peu plus de 1% du courant utilisé par les trams et trolleybus des TPG, ce qui n'est pas négligeable vu l'ampleur du réseau genevois.
Notons aussi l'action de la Commission Européenne concernant à la fois les changements climatiques et les énergies renouvelables. Pour en savoir plus consulter le site spécialisé de la Direction de l'Energie et des Transports

Mécanisme de la photoconductivité

Avant d'aborder l'effet photovoltaïque nous allons rappeler quelques mécanismes élémentaires [2]. On dit qu'il y a photoconductivité chaque fois que la résistance électrique d'un corps matériel varie lorsqu'on l'éclaire avec des radiatons électromagnétiques appartenant aux domaines visible, ultra-violet et/ou infrarouge. Pour que ce phénomène puisse se produire et qu'on puisse l'observer deux conditions nécessaires mais non suffisantes doivent être remplies :

les radiations doivent pouvoir être absorbées par le corps éclairé. En d'autres termes on doit rechercher l'origine de la photoconductivité dans l'absorption de photons dont l'énergie est utilisée pour libérer des charges électriques à l'intérieur du volume éclairé, ce qui se traduit par une diminution (fonction croissante du flux lumineux absorbable reçu par le spécimen) de la résistance électrique du matériau étudié.
l'augmentation de conductivité produite par l'éclairement doit être notable vis à vis de la conductivité du matériau dans l'obscurité et à la température de l'expérience, ce qui impose pour les semiconducteurs que la température soit assez basse pour que la conductivité propre du matériau ne soit pas trop grande (facteur important pour les applications).

Si l'on considère un semiconducteur intrinsèque à la température ambiante, pour qu'il apparaisse un phénomène de conductivité il faudra que les photons incidents possèdent une énergie supérieure à la largeur de la bande interdite. Il y aura donc un seuil correspondant à une longueur d'onde

₀ au dessus de laquelle la photoconductivité ne peut se manifester.

- Avant d'aller plus loin et d'établir quelques équations assez représentatives du phénomène, il convient de réfléchir aux conséquences pratiques de ce qui a été énoncé ci-dessus (ce qui n'est malheureusement pas fait la plupart du temps ni par les utilisateurs, ni par les concepteurs, ni bien évidemment par les gouvernants dont l'ignarité est patente - et même croissante en ce début de 21ème siècle). Nous venons de constater en effet que l'énergie solaire n'est pas uniforme dans le temps, d'une part, et qu'elle est, en outre, constituée d'un ensemble de rayonnements IR, visible, UV et au delà, dont les effets vont être rarement additifs, mais au contraire contradictoires.
- En effet, l'exploitation de l'énergie solaire pour la production d'électricité implique l'absorption de photons dans un matériau de type semi-conducteur pour créer ce qu'on a appelé des paires électron-trou. Malheureusement les IR n'ont pas une énergie suffisante pour provoquer le processus permettant à un électron de quitter son atome originel pour participer à la conduction. Qu'est-ce que cela signifie? Tout simplement que les IR heurtant une surface semiconductrice ne vont avoir pour conséquence que d'augmenter sa température. Et cette augmentation de la température se traduit, ainsi qu'on l'a vu dans le chapitre traitant de la résistivité par une augmentation de l'agitation des noyaux, c'est à dire une gène accrue au déplacement des électrons. Donc une partie de l'énergie solaire va avoir un effet négatif dans la conversion d'énergie radiative en énergie électrique.
- Considérons maintenant, à l'autre extrémité du spectre solaire, le rayonnement UV lointain et le rayonnement X. Ces photons ont eux une très grande énergie, bien supérieure au seuil pour créer des paires électron-trou. Il en résulte qu'une partie de l'énergie de ces photons va effectivement servir à cette création et que l'excédent va seulement servir à augmenter la vitesse de notre électron. Et il en est des électrons comme des automobiles, si leur énergie (leur vitesse) est trop élevée il va y avoir de nombreuses collisions. Or à chaque fois qu'un électron semi-libre entre en collision avec une autre particule quelle qu'elle soit, la plus grande partie de son énergie est perdue, c'est à dire se transforme en chaleur. Chaleur qui contribue à augmenter la température du matériau et donc l'agitation des noyaux et, in fine, contribue à aggraver la gêne au déplacement des électrons.
- Donc il est clair que l'optimisation du rendement des systèmes solaires de production d'électricité va imposer que ceux-ci soient maintenus à basse température via un système de refroidissement lui-même consommateur d'énergie ou qu'un filtre adapté empêche simultanément l'arrivée des infrarouges et des UV lointains sur le dispositif. Malheureusement on ne dispose d'aucune possibilité efficace d'empêcher certains rayonnements solaires d'arriver et, il ne faut pas rêver, c'est IMPOSSIBLE. En conséquence, quel que soit le procédé qu'on va imaginer, il ne pourra donner de résultats pharamineux et les rendements de conversion resteront dérisoires.

Examinons maintenant l'aspect mathématique de la photoconductivité.

h> > h₀ = W (relation d' Einstein) soit

₀ = hc/W avec ₀ = c₀

Appliquons au domaine photoconductif un champ électrique et étudions le déplacement des porteurs libérés par les photons absorbés.

Admettons que le champ électrique soit uniforme et d'intensité V/l pas trop grande de façon à ne pas provoquer d'effet parasite (du type avalanche ou influence sur la mobilité des porteurs), alors, au courant d'obscurité que nous négligerons va s'ajouter un courant de photoconduction de densité j

Si chaque photon absorbé libère une paire électron-trou on aura : j = |e|(n_eµ_e + n_pµ_p)V/l où les n représentent les concentrations à l'équilibre et les µ les mobilités. Si l'on considère qu'à l'équilibre il y a équilibre entre un mécanisme de création de porteurs P et un mécanisme de recombinaison r dont les vitesses

sont égales et opposées et si, par ailleurs, on admet que les trous ont une faible mobilité vis à vis des électrons et, de ce fait, ne participent pas à la conduction, on obtient, en première approximation :

d'où l'équation qui permet de calculer n_e à l'équilibre

soit

On obtient alors l'intensité du courant permanent de photoconduction sous éclairage constant :

On constate que le courant est proportionnel à V et à la racine carrée du flux lumineux absorbé. La quantité de courant débitée n'est donc pas égale à la quantité d'électricité libérée par le mécanisme de photoconduction. Le nombre de paires électron-trou produites par unité de temps est P = Pl

, on exprime alors le gain de photoconduction par :

rôle des pièges

Les résultats expérimentaux montrent que la relation entre I et P ne suit pas tout à fait la loi que l'on vient d'écrire. En particulier lorsque le nombre de photons absorbés est faible, la relation est alors linéaire et ce n'est que lorsque la densité de photons dépasse une certaine limite que l'on se rapproche de

On doit admettre que les imperfections du cristal engendrent des centres de recombinaison et des niveaux d'énergie pièges sur lesquels les électrons et les trous peuvent être retenus, sans disparaitre, pendant des temps sans rapport avec leur durée de vie dans le cristal supposé parfait. Ces phénomènes entrainent une inertie notable limitant les applications.

De plus il faut noter certains phénomènes de recombinaison superficielle (importants car en pratique une cellule est toujours constituée d'une lame mince) et l'emploi en général d'un matériau polycristallin, pour des raisons de coût.

Quelques caractéristiques :

nature	seuil (nm)	sensibilité(cm2/V.s)		durée de vie (µS)
CdS	510	électrons:200	trous	106
Se	600			10
CsSe	720	200		104
GaAs	920	3500		1
Si	1100	1200	500	103
Ge	1800	3900	1900	103
PbSe	4000	1200	475	10
PbTe	5000	1175	870	1
Si dopé In	9000			66K
Si dopé B	30000	utilisables en dessous de		20K
Ge dopé Au	15000			38K

Effet photovoltaïque

Considérons une jonction p-n et refermons ses électrodes par un court-circuit. On sait que, dans ces conditions, de part et d'autre de la jonction, sur une épaisseur petite, mais finie, règne une zone désertée dans laquelle existe un champ électrique intense produit par une ddp de quelques dixièmes de volt. Le circuit extérieur n'est le siège d'aucun courant.

Si un photon incident engendre dans la zone désertée une paire électron-trou, sous l'effet du champ électrique ces porteurs vont se déplacer en sens invers l'un de l'autre et rejoindre les porteurs majoritaires de même signe dans les régions P et N. Cela correspond à un courant traversant la jonction dans le sens de conduction difficile. Si P photons sont absorbés par unité de temps et compte tenu des inévitables paires produites à proximité de la zone désertée susceptibbles de diffuser et de se recombiner, la densité de courant sera de la forme

Si l'on ajoute une f.e.m. dans le circuit le courant total débité sera de la forme

En faisant varier V en grandeur et en signe on obtient la caractéristique ci-dessous. On la trace facilement en faisant glisser la caractéristique d'obscurité d'une quantité

exemple de cellule vue en coupe

Cet effet requiert donc une barrière de potentiel pour se manifester. En pratique on réalise une jonction p-n dont la caractéristique essentielle est d'être très dissymétriquement dopée et surtout d'avoir une zone n de très faible épaisseur, de telle sorte que la zone de charge d'espace se situe très près de la surface, afin d'obtenir un rendement maximum.

La relation donnant le photocourant en circuit ouvert est

i = hq N_lG

où h est l'efficacité quantique, c'est à dire le nombre de porteurs en excès produits par photon absorbé,
q la charge de l'électron,
N_lle nombre de photons de longueur d'onde l absorbés par unité de temps
et G le gain photoconductif représentant le rapport entre la durée de vie d'un porteur et le temps de transit dans la longueur de l'échantillon, mais avec ici un gain unitaire puisque tous les porteurs générés vont franchir la barrière.

En outre, eu égard au spectre solaire qui a une certaine largeur et une forte inhomogénéité, ainsi que le rappelle la figure au début du chapitre, il faudra intégrer cette relation sur l'ensemble de la plage de longueur d'onde.

Comme dans une jonction p-n le courant direct s'exprime selon la relation I_d = I_s [exp(qV/kT) -1] on peut en déduire la pente à l'origine 1/R =

V pour V=0 où R représente la résistance dynamique et vaut kT/qI_s ce qui, introduit dans l'expression du photocourant, nous permet d'exprimer la tension en circuit ouvert V₀.

V₀ = hP_llkT / hcI_s,où P_l représente la puissance monochromatique reçue.

On peut utiliser ces cellules de deux façons distinctes : soit en série avec une fem comme détecteur de rayonnement IR (photodiodes au Ge), soit comme générateur en les refermant sur une charge R.

Dans cette dernière utilisation c'est toujours la lumière solaire qui est utilisée comme énergie excitatrice. En pratique il faut les faire débiter sur la charge optimale correspondant sur le graphique sensiblement au point A, c'est à dire que la résistance R devrait être telle que R = V_A/J_A ce qui n'est malheureusement pas souvent le cas.

Dans tous les cas, pour obtenir les meilleurs rendements, il est nécessaire que la libération des paires électron trou s'effectue dans la zone désertée ou à son voisinage immédiat. Cette condition ne peut jamais être parfaitement remplie. On se rapproche de l'optimum en plaçant la jonction à une distance minimale de la zone éclairée. Il faut de plus que la résistance de la cellule (résistance interne du générateur équivalent) reste faible ce qui limite l'étendue des aires éclairées. Les grandes surfaces seront donc munies d'électrodes en forme de grille afin de les "fractionner"

Afin d'optimiser le rendement, en particulier pour les capteurs solaires, diverses structures photovoltaiques ont été étudiées, en particulier des structures dites à hétéro jonction GaAs-Ga_1-xAl_xAs afin d'obtenir un gap plus large, mais actuellement les structures en couches minces de silicium amorphe dopé à l'hydrogène semblent conduire à des coûts de fabrication tellement faibles que l'on préfère privilégier la surface plutôt que le rendement de conversion.

	Copyright © 2000-2015 LHERBAUDIERE	7 pages à l'impression			version initiale 2002
	AVERTISSEMENT				dernière mise à jour 16 mars 2013

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