Copyright
© 2000-2015 LHERBAUDIERE


7 pages à l'impression		 version initiale 2002
AVERTISSEMENT dernière mise à jour
17 mars 2013
cliquez sur le mot avertissement ou information ci-dessus pour connaitre une info essentielle avant de lire ce module et n'hésitez pas à cliquer en bas de page sur l'icone sommaire du site ça vous ouvrira d'autres perspectives

CELLULES SOLAIRES PHOTOVOLTAÏQUES

partie 2/3 : technologies silicium

les bons matériaux photosensibles
quelques généralités
les technologies silicium : monocristallin
du monocristal aux couches minces amorphes
silicium amorphe
la barrière de potentiel
d'autres idées industrielles
une collection d'icônes pour visiter tout le site
propriétés d'un bon matériau photosensible [3]
En vue de convertir l'énergie solaire en électricité les semiconducteurs choisis devront conduire à un bon rendement et à un faible coût du kW installé résultant de l'optimisation des facteurs suivants : Il existe une largeur de bande optimale pour la bande interdite Eg du matériau afin de minimiser les pertes dues aux photons non absorbés (h < Eg) et ceux trop énergétiques (h>> Eg). Cet optimum se situe à environ 1.5eV pour une cellule fonctionnant à 300K avec un rendement optimal de 28% ( à 500K : 1.9eV et 15%) Elle dépend directement de la longueur de diffusion à laquelle sont liées les recombinaisons (pertes). Il est donc à cet égard souhaitable d'avoir un matériau faiblement dopé, cependant le nombre de porteurs étant lié au dopage il faudra adopter un compromis. matériaux retenus

Trois filières semblent a priori prometteuses :
matériau Si polycristallin Si polycristallin CdTe ou Cu2S GaAs
  sans concentration avec concentration sans avec
longueur d'absorption (µm) 50 50 1 2
longueur de diffusion (µm) 100 100 2  
épaisseur optimale (µm) 50 50 20 (alliage à Eg variable)  
      5 (homogène) 5
procédé d'élaboration moulage   pulvérisation depôt chimique en phase vapeur
objectif de rendement (%) 12 10 10 12
rapport de concentration 1 30 1 1000

matériau structure ionicité réseau A coef de dilatation bande interdite eV affinité électronique mobilité µe µt
Si diamant 0 5.431 2.33 1.11 4.01 1350 480
InP blende 0.421 5.869 4.5 1.27 4.38 4500 100
GaAs blende 0.310 5.654 5.8 1.43 4.07 8000 300
Ga0.2Al0.8Sb blende   6.13 5 1.47     400
CdTe blende 0.675 6.477   1.44 4.28 700 65
CdSe hexagonal 0.699 4.3 4.8 1.7 3.93 600  
CdS hexagonal 0.685 4.14 4.0 2.42 4.5 340  
CdSiAs2 calcopyrite 0.54; 0.70 5.884   1.55     500
CuInSe2 calcopyrite 0.65; 0.57 5.78   1.04   320 10
CuInS2 calcopyrite 0.68; 0.61 5.52   1.5   200 15
Cu2S chalcocite       1.21 4.25   24
InSe en couche       1.24   500  


La figure ci-dessus montre l'effet du dopage sur les longueurs de diffusion mesurées dans le Si (O correspond à Lp et + à Ln) et sur la puissance maximale obtenue à 28°C pour une photopile de 4cm2


Ci-dessus le spectre d'absorption de divers semi-conducteurs monocristallins.

Quelques résultats obtenus par diverses équipes de par le monde

matériau rendement maxi obtenu commentaire
Jonction np Si 18%  
diode Schottky Si 12.5  
Si amorphe 5.5  
np GaAs 19  
Ga AlAs/GaAs 22 sous 1 soleil
id 25 178 soleils
id 19 1700 soleils
n CdS/p InP 15  
n CdS/p CdTe 8  
p Cu2S/n CdS 8 couches minces
p CuInSe2/ n CdS 12  

Précisons que les résultats obtenus sous un éclairement correspondant à 178 soleils ne sont que des essais de laboratoire totalement inexploitables en pratique (car la quantité d'énergie dépensée pour refroidir le module soumis à un tel éclairement est supérieure à la quantité d'électricité récupérée).

technologie silicium
cellule classique au silicium monocristallin

On va prendre l'exemple d'un module produit par France-Photon depuis 1981 et issu d'un prototype fonctionnant depuis 1961 au Chili (à Antofagasta sur une batterie d'électrolyseur) [12]. Une version comportant 18 photopiles de 100mm de diamètre délivre 16.5W sous 8.2V à 25°C avec un rendement de conversion oscillant entre 13 et 16% selon les cellules.

La technologie de fabrication est figurée ci-dessous [4]


En partant d'un wafer de silicium de très haute pureté (6N) dont les surfaces sont rodées, on crée la zone P et la zone N+ en surface par diffusion classique, une grille métallique est déposée, puis une couche anti-reflet chargée de piéger au maximum les photons visibles et UV. Enfin les connexions sont montées et le module encapsulé sous une plaque de verre

Quelles sont les améliorations possibles pour tendre vers le rendement thermodynamique maximal et diminuer le coût?

L'élaboration du matériau, la réalisation de la jonction, puis le montage contribuent à parties sensiblement égales au prix du module, donc une réduction de coût passe par l'amélioration de chacune de ces trois étapes.
monocristal:
Trois possibilités sont envisageables : augmentation du diamètre du tirage (on est passé de 2.5cm en 1960 à plus de 30 en 2000), utilisation d'un sillicium moins purifié, et gain sur l'épaisseur de matériau (mais plus le diamètre sera grand plus la tranche sera fragile).
amélioration des performances
L'objectif de mieux utiliser les photons solaires implique de réduire la profondeur de la jonction (moins de 0.1µm). On peut aussi augmenter la collecte des porteurs, réduire les réflexions de photons, obtenir une tension un peu plus élevée en circuit ouvert (>0.65V) pour tendre vers le rendement de 17-18% obtenu en laboratoire.
silicium polycristallin
Les cellules photovoltaïques traditionnelles, ce sont en fait des plaques de silicium d'environ 300 microns prises en sandwich entre deux plaques de verre. De telles cellules sont évidemment rigides et fragiles. De plus, elles utilisent beaucoup de silicium. Le procédé de fabrication exige une température de plus de 1000 °C et la croissance des cristaux de silicium est lente.
Plutôt que de partir d'un gigantesque monocristal très onéreux, l'idée est de partir d'une source de silicium de haute pureté et de déposer sur un substrat ad hoc un film de silicium, qui sera certes polycristallin, mais dont l'ensemble des cristaux seront orientés perpendiculairement à la surface (et non complètement désorientés comme dans un vrai polycristal).
Les joints de grain entre cristaux ne joueront alors qu'un rôle négligeable et le rendement restera supérieur à 10%. L'épaisseur du dépôt est réduite. Celui-ci est obtenu par évaporation thermique sous vide, éventuellement par épitaxie en phase liquide.
L'autre intérêt de cette technique est son coût réduit et la possibilité de réaliser de très grandes surfaces (cf photo d'immeuble à Freiburg en Allemagne) en exploitant le concept développé pour réaliser des CD en continu. Il est en effet parfaitement possible de réaliser un système sous vide en continu dans lequel une plaque de verre de grande longueur défile dans le groupe à vide en passant successivement dans des enceintes contigües dont la pression est différente, passant ainsi progressivement de la pression atmosphérique à un vide suffisant pour réaliser le dépôt en continu, puis ensuite passant dans des enceintes de recuit, puis de retour progressif à la pression atmosphérique.

Un espoir à moyen terme : Le procédé récemment amélioré par l'Université de Neuchâtel est connu de longue date (voir ci-après). Il consiste à déposer une très fine couche de silicium - moins d'un micron - sur une plaque de verre ou un film plastique. Pour cela, on utilise un plasma de silane, un mélange gazeux de silicium et d'hydrogène. La nouveauté développée par les chercheurs de l'IMT consiste à utiliser des hautes fréquences dans la bande «VHF» (Very High Frequencies), afin d'augmenter la vitesse de dépôt du silicium. Ce procédé s'apparente à celui de fabrication des écrans plats de type LCD et va pouvoir être exploité industriellement avec sensiblement les mêmes machines ce qui va permettre d'obtenir des couches microcristallines conduisant à des cellules solaires dites micromorphes dont le rendement de conversion est d'environ 9% contre 6 à 7% pour les cellules strictement amorphes. En outre, ces cellules pouvant être déposées sur un support souple (voir figure ci-dessous) cela ouvre le champ vers de nombreuses applications (textiles intelligents).


cellules souples développées à l'IMT Neuchatel

silicium amorphe [8]

La voie la plus intéressante semble actuellement celle initiée par quelques chercheurs de l'Université de Dundee à la fin des années 70 et récemment améliorée à Neuchatel (voir ci-avant). Il s'agit soit de décomposer SiH4 dans un champ HF en présence d'un gaz contenant les dopants soit de déposer du Si par pulvérisation cathodique en présence d'hydrogène. Dans les deux cas on va produire une structure N/P ou N/I/P amorphe.

A partir de ces deux principaux modes de préparation de silicium amorphe hydrogéné, il est possible de réaliser des structures multicouches de type Schottky dont les rendements sont de l'ordre de 6%-8%. C'est peu mais le coût est sensiblement moindre.

La structure est du type n+a-Si:H/a-Si:H/Pt structure dans laquelle le platine peut être remplacé par d'autres métaux tels l'or ou le palladium. Les hypothèses courantes admettent que la zone de charge d'espace dans ces cellules est due au contact a-Si:H/métal, mais tous les chercheurs ne sont pas d'accord sur cette interprétation.



. ..

Problèmes liés à la réalisation de la barrière de potentiel

Dans les cellules conventionnelles on emploie la méthode bien connue de la diffusion thermique des additifs. Elle ne se prête malheureusement pas au traitement en continu de rubans ce qui a conduit à d'autres solutions pour réaliser une barrière de potentiel.
structure métal-semiconducteur
Le dépôt d'un métal convenablement choisi en couche mince sur le Si conduit à des diodes Schottky. Ce procédé paraît à première vue séduisant en raison de la simplicité, malheureusement il semble qu'à long terme l'oxygène diffuse à l'interface M/S et réduise considérablement les performances en neutralisant les charges positives.
structure MIS
L'introduction d'un film très mince (0.2nm) isolant entre le Métal et le Semiconducteur transforme le contact à porteurs majoritaires en quelque chose qui ressemble à une homojonction (à porteurs minoritaires). L'isolant est obtenu soit par oxydation superficielle du Si (thermiquement ou chimiquement par NO3H), soit par dépôt de SiO en atmosphère contrôlée. Le métal est alors le plus souvent Au ou Al, tandis que la couche antireflet peut être omise.
hétérostructures à SnO2 ou In2O3
On peut aussi réaliser des barrières en déposant sur le Si un autre semicondducteur à condition qu'il soit : Les oxydes d'étain et d'indium remplissent théoriquement ces conditions et certains essais ont permis d'obtenir en laboratoire des rendements supérieurs à 10% avec des tensions de plus de 0.5V et des densités de courant de 30mA/cm2.

Hit-Parade