Cellule photovoltaïque

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cellule photovoltaïque 4 pouces
cellule photovoltaïque 4 pouces
Champ de panneaux photovoltaïques, composés de cellules
Champ de panneaux photovoltaïques, composés de cellules

Une cellule photovoltaïque (ou « photo-galvanique ») est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère une tension électrique (de l'ordre d'un demi volt) : cet effet est appelé l'effet photovoltaïque. Le courant obtenu est un courant continu.

Les cellules photovoltaïques sont constituées de semi-conducteurs, principalement à base de silicium (Si) (plus rarement d'autre semi-conducteurs : sulfure de cadmium (CdS), tellurure de cadmium (CdTe), etc.). Elles se présentent sous la forme de fines plaques, rondes ou carrées, d'une dizaine de centimètres de coté, prises en sandwich entre deux contacts métalliques, pour une épaisseur de l'ordre du millimètre.

Des batteries de cellules sont réunies dans des module solaire photovoltaïque (ou "panneau solaire"), en fonction de la puissance recherchée.

Sommaire

[modifier] Principe de fonctionnement

Icône de détail Article connexe : photodiode.

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 apparaitra une tension entre les deux faces, comme une pile.

Pour cela, on s'arrange pour créer un champs électrique permanent au moyen d'une jonction PN, entre deux couches dopées respectivement P et N:

Structure d'une cellule photovoltaïque
Structure d'une cellule photovoltaïque
  • La couche supérieure de la cellule est composée de silicium dopé N[1]. Dans cette couche, il existe une quantité d'électrons libres supérieure à une couche de silicium pur, 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 positive.
  • La couche inférieure de la cellule est composée de silicium dopé P[2]. Cette couche possèdera donc en moyenne une quantité d'électrons libres inférieure à une couche de silicium pur, les électrons sont liés au réseau cristalin qui, en conséquence, est chargé négativement. 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 champs 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 champs électrique ils partent chacun à l'opposé : les électrons s'accumulent dans la région N (qui devient le pôle "-" ), tandis que les trous s'accumulent dans la couche dopé P (qui devient le pôle "+" ). 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 la 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 (resp. le trou) nouveau conserve une grande chance de se recombiner avant d'atteindre la zone N (resp. la zone P). Mais la ZCE est forcément très mince, aussi n'est-il pas utile de donner une grande épaisseur à la cellule[3].

En somme, une cellule photovoltaïque est un générateur de courant auquel on a adjoint une diode.

Il faut ajouter des contacts électrique (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 semi-conducteur au niveau d'énergie des photons. On peut éventuellement empiler les jonctions, de façon à exploiter au mieux le spectre d'énergie des photons, ce qui donne les cellules multi-jonctions.

[modifier] Technique de fabrication

Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques. On l'obtient par réduction à partir de silice, composé le plus abondant dans la croute terrestre et notamment dans le sable, qui est donc le minerai de base. On obtient du silicium dit métallurgique, pur à 98% seulement. Le silicium de qualité électronique doit être purifié jusqu'à plus de 99,999%, ce qui s'obtient en transformant le silicium en un composé chimique qui sera distillé puis retransformé en silicium.

Le silicium est produit sous forme de barres nommées « lingots » de section ronde ou carrée. Ces lingots sont ensuite sciés en fines plaques mises au carré (si nécessaire) de 200 microns d'épaisseur qui sont appelées « wafers ». Après un traitement pour injecter enrichir en éléments dopant (P, As, Sb ou B) et ainsi obtenir du silicium semi-conducteur de type P ou N, les wafers sont « métallisés » : des rubans de métal sont incrustés en surface et reliés à des contactss électriques. Une fois métallisés les wafers sont devenus des cellules photovoltaïques.

La production des cellules photovoltaïques nécessite de l'énergie, et on estime qu'une cellule photovoltaïque doit fonctionner environ 2 à 3 ans[4] suivant sa technologie pour produire l'énergie qui a été nécessaire à sa fabrication (retour energétique du module).

Les techniques de fabrication et les caractéristiques des principaux types de cellule sont décrits dans les 3 paragraphes suivants. Il existe d'autres types de cellules actuellement à l'étude, mais leur utilisation est pratiquement négligeable.

Les matériaux et procédés de fabrication font l'objet de programmes de recherches ambitieux pour réduire les coûts de possession et de recyclage des cellules photovoltaïques. Les technologies couches minces sur substrats banalisés semblent recueillir les suffrages de l'industrie naissante. 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.

[modifier] Cellule en silicium amorphe

Le silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projeté sur une feuille de verre. La cellule est grise très foncée. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires".

  • avantages :
    • fonctionnent avec un éclairement faible (même par temps couvert ou à l'intérieur d'un bâtiment),
    • moins chères que les autres.
    • moins sensible aux températures élevées que les cellules mono ou poly cristallines
  • inconvénients :
    • rendement faible en plein soleil, de 60Wc/m²[5],
    • performances qui diminuent sensiblement avec le temps.

[modifier] Cellule en silicium monocristallin

Une cellule photovoltaïque monocristalline
Une cellule photovoltaïque monocristalline

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.

  • avantage :
    • très bon rendement, de 150 Wc/m²[5] ou plus (2007).
  • inconvénients :
    • coût élevé,
    • rendement faible sous un faible éclairage.

[modifier] Cellule en silicium polycristallin

Une cellule photovoltaïque polycristalline
Une cellule photovoltaïque polycristalline

Pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs cristaux. Ce genre de cellule est également bleu, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux.

  • avantages :
    • bon rendement, de 100Wc/m²[5], mais cependant moins bon que pour le monocristallin,
    • moins cher que le monocristallin.
  • inconvénient :
    • rendement faible sous un faible éclairement.

Ce sont les cellules les plus utilisées pour la production électrique (meilleur rapport qualité-prix).

[modifier] Cellule Tandem

Empilement monolithique de deux cellules simples. En combinant deux cellules (couche mince de silicium amorphe sur silicium cristallin) absorbant dans des domaines spectraux se chevauchant, on améliore le rendement théorique par rapport à des cellules simples distinctes, qu'elles soient amorphes, cristallines ou microcristallines.

  • avantages :
    • sensibilité élevée sur une large plage de longueur d'onde. Bon rendement
  • inconvénient :
    • coût élevé dû à la superposition de deux cellules

[modifier] Cellule en plastique

Icône de détail Article détaillé : Cellule photovoltaïque en plastique.

[modifier] 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 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'interêt 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. L'usage de matériaux composés de boîtes quantiques permettra d'atteindre 65% dans le futur (avec un maximum théorique de 87%). Les dispositifs à multijonctions GaAs sont les cellules les plus efficaces. Spectrolab a obtenu 40.7% d'efficacité (déc. 2006), un consortium (dirigé par des chercheurs de l'université du Delaware) a obtenu un rendement de 42.8%[6] (sep. 2007). Le coût de ces cellules est de l'ordre de USD 40 $/cm².

[modifier] Semi conducteur CGIS

La technique consiste à déposer un matériau semi conducteur à base de cuivre, de gallium, d'indium et sélénium sur un support.

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 1000 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 photovoltaiques en couches minces sans silicium ne manquerait pas de se heurter à cette disponibilité physique limitée.

[modifier] Utilisation

Icône de détail Article détaillé : Module solaire photovoltaïque.

Les cellules photovoltaïques sont parfois utilisées seules (éclairage de jardin, calculatrice, ...) ou bien regroupées sur des panneaux solaires photovoltaïques.

Elles sont très utilisé en remplacement des piles (dont l'énergie est de loin la plus chère pour l'utilisateur ; même pour le fabricant, un compartiment pile et la pile éventuellement fournie peuvent couter plus cher qu'une cellule), pourvu que le dispositif ne réclame pas trop d'énergie par rapport à la surface qu'on peut accordée au générateur photovoltaïque, et qu'il y ait assez de lumière pendant l'usage : les cellules ont envahi calculette, montres, gadgets, etc.

Il est possible d'augmenter leur gamme d'utilisation avec un stockage (condensateur ou batterie). Lorsqu'elles sont utilisées avec un dispositif de stockage de l'énergie, il est indispensable de placer une diode en série pour éviter la décharge du système pendant la nuit.

Elles sont utilisées pour produire de l'électricité pour de nombreuses applications (satellites, parc-mètres, ...), ainsi que pour alimenter des habitations ou un réseau public de distribution dans le cas d'une centrale solaire photovoltaïque.

[modifier] Recherche et développement

La technologie n'est pas mature, et de nombreux pistes de recherches sont explorées, visant toutes à baisser le prix du kW et du kWh, mais aussi d'autres qualités (rusticité, souplesse d'usage, facilité d'intégration dans des objets, etc.). Toutes les étapes des procédés de fabrication peuvent être amélioré, par exemple :

  • la société « Evergreen Solar » a éliminé l'étape de sicage, remplacer par le dépot du silicium encore liquide sur un fim où il se cristalise directement à l'épaisseur du "wafer"
  • la société « NanoSolar » industrialise la production de cellules CGIS par une technique d'imprimerie, en continu , en espérant des cout de 1 $ / W en 2010.
  • toutes les sociétés annoncent successivement des accroissements du rendement de leurs cellules
  • la taille des wafers croit régulièrement, ce qui diminue le nombre de manipulations
  • On cherche à mieux valoriser toutes les longueurs d'onde du spectre solaire (dont infra-rouge, ce qui ouvrirait des perspective très intéressantes : transformation directe de la lumière d'une flamme en électricité, rafraichissement).
  • Des « concentrateurs » (déjà utilisés sur les satellites) sont testés sur terre. Via des miroirs et des lentilles incorporées dans le panneau, ils focalisent le rayonnement sur l'élément essentiel et coûteux qui est la cellule photovoltaïque et ses semi-conducteurs. Fin 2007, Sharp a annoncé disposer d'un système concentrant jusqu'à 1100 fois le rayonnement solaires (contre 700 fois pour le précédent record en 2005). La concentration permet de diminuer la proportion du panneau consacré à la production de l'électricité, et donc leur coût. De plus ces nouveaux systèmes supporteraient très bien la forte chaleur des zones tropicales[7].
  • On étudie aussi la possibilité d'associer le silicium amorphe et cristallin par « hétérojonction », dans une même cellule photovoltaïque à plus de 20 % de rendement. Projet de 2 ans annoncé début 2008, associant le Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et des nanomatériaux du CEA-Liten et la société coréenne JUSUNG (fournisseur d'équipements pour les fabricants de semi-conducteurs), avec l'INES (Savoie) où le CEA-Liten a concentré ses activités concernant l'énergie solaire.
  • D'autres semi-conducteurs (sélénium; association Cuivre-Indium-Sélénium (CIS) en couche mince) sont étudiés par exemple en France par l'institut de recherche et développement sur l'énergie photovoltaïque (IRDEP [8]). Le CIS semble pourvoir offrir un rendement modeste de 12%, mais à faible coût de fabrication.
  • Des composés organiques (matières plastiques) pourraient constituer dans le futur à des panneaux souples et légers, des tuiles, voiles ou tissus photovoltaïque, espère-t-on à faible coût de fabrication. Pour l'instant leurs rendements sont faibles (5% maximum), ainsi peut-être que leur durée de vie, et de nombreux problèmes techniques restent à résoudre. Début 2008, le groupe japonais Fujikura a annoncé[9] avoir testé (1000 heures à 85 °C et une hygrométrie de 85%) une cellule photovoltaique organique de type DSSC[10] non seulement plus résistante, mais au rendement amélioré de 50 à 70 % grâce à une surface dépolie qui diffuse aléatoirement la lumière réfléchie à l'intérieur de la cellule où elle libère à nouveau des charges électriques en activant d'autres pigments photosensibles.

La pénurie de silicium accroit encore l'incitation à l'innovation, sur un marché en forte croissance qui s'annonce colossal, surtout si on parvient à descendre au prix des combustibles fossiles.

[modifier] Feuille de route du photovoltaïque

Voici quelques objectifs que l'industrie japonaise s'est donnés:

Thème Cible 2010 Cible 2020 Cible 2030
Coût de production 100 Yen/watt 75 Yen/watt <50 Yen/watt
Durée de vie - +30 ans -
Consommation de matière première - - 1g/watt
Coût du convertisseur - - 15.000 Yen/KW
Coût de la batterie - 10 Yen/Wh -
Efficacité cellule cristalline 20% 25% 25%
Efficacité cellule couche mince 15% 18% 20%
Efficacité cellule CIS 19% 25% 25%
Efficacité cellule III-V 40% 45% 50%
Efficacité cellule "Dye Sensitized" 10% 15% 18%
Source Nedo (Japon) 165 Yen=1€ Dec 2007

[modifier] Notes

  1. une petite proportion des atomes de silicium est remplacée par un élément de valence supérieure dans la classification périodique, c’est-à-dire qui possède plus d'électrons sur sa couche de valence que le silicium. Le silicium possède 4 électrons sur sa couche de valence : on peut donc utiliser des éléments de la colonne 15, par exemple le Phosphore.
  2. par un élément de valence inférieure au silicium. Il peut s'agir de Bore (B) ou d'un autre élément de la colonne 13.
  3. On peut, en revanche, lui donner une forme ondulée, comme sur l'exemple : le volume actif est augmenté
  4. IEA - Compared assessment of selected environmental indicators of photovoltaic electricity in OECD cities[pdf]
  5. abc [pdf] Rendement suivant les matériaux d'après ADEME
  6. Green Car Congress: UD-Led Team Sets Solar Cell Efficiency Record of 42.8%; Joins DuPont on $100M Project
  7. Source : Nikkei Net (2007 12 06) (en), Bulletin de l'ambassade de France
  8. Institut associant EDF, CNRS et Ecole nationale supérieure de chimie de Paris (ENSCP)
  9. Nikkei Net - 04/02/2008
  10. Dye-Sensitized Solar Cell ou cellule Graetzel

[modifier] Voir aussi


[modifier] Liens externes

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