Résumé- Dans le présent document, nous nous intéressons aux cellules photovoltaïques en présentant un tour d'horizon sur ces dispositifs électroniques depuis la couche active, constituant le milieu absorbeur, jusqu'à leur association dans des modules pour fournir l'énergie requise par une installation. En premier lieu, nous donnons un bref survol des aspects généraux et du vocabulaire de base utilisés dans ce domaine, puis nous abordons le volet concernant les matériaux et la conversion photovoltaïques ainsi que les technologies retenues pour réaliser ces cellules. En second lieu, nous présentons les techniques de caractérisation utilisées pour contrôler la qualité des cellules réalisées ainsi que leur association en modules pour pouvoir générer des tensions et des courants utilisables en pratique. Pour finir, nous donnons quelques résultats récents et les prévisions d'une feuille de route proposée dans ce domaine.
Historique du photovoltaïque En 1839, Becquerel découvrit l’effet photovoltaïque qui permet la transformation directe de l’énergie lumineuse en électricité [1]; Fritts (1883) et Grondahl (1930-32), proposèrent les premiers dispositifs photovoltaïques avec un rendement de 1% [2]; En 1954, Pearson, Chapin, et Fuller, mirent au point une première cellule photovoltaïque (jonction pn à base du silicium cristallin) avec un rendement de conversion de l’ordre de 6 % [2,3].
En 1958, les premières cellules, fixées à l'extérieur du satellite Vanguard, ont été envoyées dans l'espace pour alimenter l'un des deux émetteurs radioélectriques embarqués à bord du satellite et affichaient un rendement de 9 %; En 1959, les premiers panneaux solaires attachés sur le satellite Explorer 6 ont été lancés dans l'espace; A partir de 1970, les premières utilisations terrestres ont concerné l'électrification des sites isolés; En 1973, la première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à l’Université de Delaware; En 1983, la première voiture alimentée par énergie photovoltaïque parcourt une distance de 4 000 km en Australie; A partir des années 1990, l'usage des cellules photovoltaïques et des panneaux solaires s'est démocratisé un peu grâce à une diminution progressive de leur coût; Actuellement, la recherche s'intéresse aux polymères et matériaux organiques (éventuellement souples) susceptibles de remplacer le silicium et les autres matériaux inorganiques [9].
Contrairement aux sources des énergies renouvelables, les sources d'énergie non renouvelables sont en voie d'extinction et très polluantes. En effet, on estime que la quantité de CO2 dégagée dans l'atmosphère est de l'ordre de 20 1020 kg/an. Cette pollution a conduit à une montée de la température du globe terrestre de 0.3 à 0.6 °C depuis la fin du 19ème siècle, ce qui a conduit à son tour à la montée des eaux de la mer de 10 à 25 cm.
Le soleil envoie son énergie sous forme électromagnétique qui s'étale sur toute une gamme de longueurs d'onde (0.2 à 3 µm, si on se limite à celles qui arrivent sur terre).
C’est la puissance reçue par une surface unité dans la gamme spectrale de largeur d (W/(m2 µm)).
C’est l’intégrale de l’éclairement spectral sur le domaine spectral d’intérêt (W/m2 ).
C’est l’intégrale dans le temps de l’éclairement sur une période donné (J/m2 –jour ou kWh/ m2 –jour ou kWh/ m2 –mois ou kWh/ m2 –an)
La distribution spectrale du rayonnement solaire dépend de l'épaisseur de l'atmosphère à traverser. Pour unifier les méthodes de test des performances de cellules photovoltaïques élaborés dans les différents laboratoire du monde, on a institué la notion d’air mass qui traduit le degré d’affectation, par l’atmosphère, de la lumière du soleil reçue sur la surface de la terre. L'air mass est donné par l'expression ci dessous [5] où z est l'altitude et est l'angle entre la normale et le vecteur position du soleil comme il est indiqué dans la Fig. 4. (1)
Hors atmosphère, qui correspond à z, on a AM=0 quelque soit et ce cas correspond à AM0. Au niveau de la mère (z=o) quand le soleil est au zénith (=0), on a AM1. Les différents cas rencontrés en pratique sont résumés dans le tableau ci-dessous. Notons que pour les tests au laboratoire, on utilise le spectre AM0 pour les cellules destinées aux applications spatiales et les spectres AM1 ou AM1.5 pour les cellules destinées aux applications terrestres pour lesquelles la cellule est supposée placée au niveau de la mer (z=0) dans des conditions d'éclairement correspondant à un ciel bien clair et dégagé sous un soleil de plein midi au zénith (=90°) pour AM1 ou d'inclinaison =42° pour AM1.5. Air mass AM0 AM1 AM1.5
Pour mettre en évidence l'importance de l'énergie solaire, il est à rappeler que la quantité totale d’énergie solaire reçue au niveau du sol pendant une semaine est supérieure à l’énergie produite par les réserves mondiales de charbon, de pétrole, de gaz et d’uranium [6]. Le tableau ci-dessous résume l'ensoleillement pour quelque pays.
Les industriels dans le domaine photovoltaïque ont deux défis à relever. Ils doivent à la fois fabriquer des dispositifs de conversion efficaces et des moyens de stockage à des prix abordables pour démocratiser l'utilisation de cette énergie. Dans ce contexte, la recherche s’oriente sur deux principaux axes: Augmenter le rendement et diminuer les coûts de production du dispositif de conversion; Mettre au point des moyens de stockage adéquats.
Le matériau photovoltaïque doit avoir un coefficient d'absorption important pour diminuer l'épaisseur de la couche active et contribuer ainsi à réduire le prix de revient du convertisseur. Il doit aussi posséder un gap direct pour favoriser les transitions radiatives dans le but d'avoir une conversion photovoltaïque efficace [2].
Le matériau le plus utilisé est le silicium, car il es abondant, non toxique, technologie maitrisée et aussi pour la qualité de son oxyde [6]
Ce matériau permet de fabrique des cellules avec un rendement qui peut atteindre 18 % au laboratoire. Son avantage principal est le prix réduit, car on peut produire un panneau en 2h30 avec de pertes de matière première estimées à seulement 2 %. Son inconvénient principal est la présence du cadmium nocif à l'environnement et la rareté du tellure [1].
On utilise ces derniers temps les composés CIGS [7] et CZTS [8] comme matériaux absorbeurs. Les rendements atteints avec ces matériaux sont de l'ordre 20 % pour CIGS et 12% pour CZTS. Les principaux inconvénients sont la rareté de l'indium pour CIGS et la présence de phase secondaires pour les deux cas.
Ces matériaux sont de la forme (CH3NH3 M X3 avec M=Pb ou Sn et X=Cl, Br ou I). Un exemple typique est CH3NH3 PbI3. Leurs principaux avantages sont le bon rendement, de l'ordre de 19 % au laboratoire, un gap typique (1.5-1.6 eV), modes de synthèse faciles et à bas coût et les éléments chimiques sont abondants. Cependant, il reste quelques problèmes à résoudre tels que le remplacement du Pb par Sn, amélioration de la stabilité et trouver la technologie de dépôt la plus appropriée.
On utilise des matériaux à base de colorants ou de polymères [9]. le rendement atteint avec ces matériaux est de l'ordre de 10 % pour les cellules au laboratoire mais ne dépasse pas les 5% pour les modules en service. Le principal inconvénient de ces matériau est l'instabilité à long terme.
IV.
On entend par l'expression "conversion photovoltaïque" les mécanismes impliqués dans la transformation de l’énergie solaire en énergie électrique. Les mécanismes mis en jeu sont (Voir Fig.5): • Absorption, par le matériau, des photons dont h>Eg ; • Création des paires électron/trou; • Collecte des porteurs créés en les séparant par le champ interne du dispositif (champ jonction ou hétérojonction); •
Circulation des porteurs dans le circuit externe pour alimenter la charge.
Il y a trois génération de cellules photovoltaïques.
Elles sont fabriquées principalement en silicium massif, c'est à dire des wafers dont l'épaisseur est de l'ordre de 0.5 mm.
Elles sont préparés à partir d'un film mince (environ 10 micromètres), de silicium ou des autres matériaux exposés ci -dessus, déposé sur un substrat moins cher (des plaquettes de verre ou de céramique).
Elles sont à base de cellules multicouches, de l'électronique imprimé (cellules à colorants) ou celles à base de nanoparticules de silicium ou de germanium (5 nanomètres de diamètre) implantées dans une fine couche de verre placée à la surface de la cellule pour que la lumière solaire soit mieux absorbée.
Comme il a été mentionné ci-dessus, la séparation des paires électrons trous ne peut avoir lieu que lorsqu'il existe un champ interne. Ce champ provient de la juxtaposition de couches dopé différemment ou ne sont pas de même nature chimique. C'est la raison pour laquelle on utilise des jonctions ou des hétérojonctions pour développer ce champ interne. On réalise des cellules photovoltaïques sous formes de jonction pn, de structure Schottky ou MIS [2] pour exploiter le champ électrique interne de ces structures comme il es illustré dans la Fig. 5 dans le cas d'une jonction pn.
VI.
Il existe principalement deux techniques électro-optiques pour caractériser les cellules photovoltaïques [
Une fois la caractéristique I(V) obtenue Fig.6, on peut déduire les paramètres suivants: FF=(VMPPxIMPP ) /(VCOxIcC) : rendement défini par le rapport :=PM/Pi où PM est la puissance maximale et Pi est la puissance incidente. RS: résistance série déterminée au voisinage du point correspondant à VCO (RS=V/I); RSh: résistance shunt déterminée au voisinage du point correspondant à ICC (RSh=V/I).
La réponse spectrale interne est la valeur de la densité du courant de court-circuit de la cellule, par unité de flux monochromatique traversant la surface de la cellule.
RSλ
Jsc q Fλ RSλ
Jsc q Fλ 1 Rλ (2) (3) Où R() est le coefficient de réflexion du matériau absorbeur (couche active).
La Fig.7 donne, à titre de comparaison, les réponses spectrales d'une cellule à base du silicium cristallin et d'une cellule CIS (Cuivre-Indium-Sélénium) dans les domaines VIS et IR où on constate que la réponse maximale se situe vers 900 nm pour la cellule à base silicium cristallin et 940 nm pour la cellule à base de CIS.
Une cellule photovoltaïque est un dispositif d’une surface de l'ordre de 100 cm2 qui génère une tension de 0.5 à 1 V et un courant de court circuit de quelques dizaines de milliampères. Ces niveaux de tension et de courant n'ont pas un grand intérêt dans les applications en pratique. C'est la raison pour laquelle on associe les cellules photovoltaïques pour générer des tensions et des courants requis dans les différentes applications.
Un module est l’association de cellules en série et en parallèle (28 à 36 cellules) pour générer une tension de l’ordre de 12V.
Cette association obéit à des règles pour obtenir un assemblage performant qui fournit l'énergie électrique requise [
Un générateur ou champ photovoltaïque est l’association de plusieurs panneaux pour générer la puissance requise par une grande installation.
Pour répondre à la question "quel est le prix de l'électricité photovoltaïque pour un foyer", il faut connaitre le nombres d e personnes habitant au sein du foyer considéré. Les estimations montrent qu'une personne correspond environ à 1 voire 1,50 m2 de panneau solaire, et le m2 qui produit environ 200 W crête revient à peu près à 1000 euros en moyenne [13]. Cependant, une installation alimentée en électricité photovoltaïque ne se limite pas à une simple acquisition des panneaux photovoltaïques. En fait, il faut avoir, en plus des panneaux, les batteries de stockage, un convertisseur DC/AC ou onduleur et un régulateur. Tout ses éléments ensemble font grimper le prix total d'une installation photovoltaïque à environ 7 à 10 fois le prix des panneaux. Avec une nouvelle structure de cellule photovoltaïque à quatre jonctions, on a obtenu: En mai 2013, l'équipe germano-française du Fraunhofer ISE, de Soitec, du CEA- Leti et du Centre Helmholtz de Berlin avait déjà annoncé une cellule photovoltaïque avec un rendement de 43,6 %. Le 23 Septembre 2013, de nouveaux travaux intensifs de recherche et des étapes d’optimisation par la même équipe ont permis d’atteindre une efficacité de 44,7%.
X.
Le tableau ci-dessous illustre la feuille de route de l'industrie japonaise entre 2010 et 2030. On constate que l'objectif principal est de diminuer les prix tout en augmentant l'efficacité des différents types de cellules photovoltaïques, et ceci dans le but de démocratiser l'utilisation de l'énergie photovoltaïques pour préserver les ressources naturelles et faire face à la pollution qui menace la vie sur notre planète.
Les données relatives à la pollution, l'extinction des ressources énergétiques conventionnelles dans un futur proche et l’importance du gisement solaire, nous interpelle chaque jour, au lever et au coucher du soleil, d'exploiter cette énergie abondante, propre et durable. [1] Alessandro Romeo " Grouth and characterization of high efficiency CdTe / CdS solar cells" Doctor of natural science thesis, Swiss Federal Institute of
Technology Zurich, 2002. [2] Jenny Nelson, "The physics of solar cells", Imperial college press, 2005 [3] S.M. Sze, "Physics of semiconductor devices", John Wiley and Sons, 1981 [4] Luis Castaner and Santiageo Silvester, "Modeling Photovoltaic Systems using PSpice, John Wiley & Sons, 2002 [5] A. Vapaille et R. Castagné, "Dispositifs et circuits intégrés semi-conducteurs", Dund, 1987 [13] https://www.quelleenergie.fr/economies-energie/panneaux-solaires-photovoltaiques/prix-economies