Le photovoltaïque dans tous ses états (1/2)

Fabriquer un courant électrique à partir de la lumière c’est l’affaire du photovoltaïque… et il y a désormais plus d’une technologie sur le marché. Une irrépressible envie d’y voir plus clair 😉 m’a poussée à poser ici une petite synthèse ou comment jeter la lumière sur les différences entre le monocristallin, le polycristallin, la couche mince et l’hybride. Qu’est que le CGIS ? En quoi les techniques diffèrent-elles vraiment ? Sur quels principes reposent-elles ?

Le photovoltaïque, brièvement c’est quoi ?
Quand on pense « photovoltaïque », on a rapidement en tête le silicium dont on a tous entendu parler voir même du silicium amorphe ?
Effectivement, le silicium est un matériau classique dans le domaine des semi-conducteurs. Mais qu’est-ce que c’est au juste un semi-conducteur ?

Dans un atome, on modélise souvent la répartition des électrons comme un positionnement sur des niveaux d’énergie bien définis, caractéristiques de l’élément chimique. Plus l’électron est proche du noyau plus il est lié à l’atome et difficile à déloger ; plus il s’en éloigne, plus il sera facilement « éjectable ».
Dans un solide, les électrons ont des énergies définies sur un intervalle ; tout simplement parce que dans un solide, un grand nombre d’atomes sont en interaction ce qui modifie légèrement les niveaux d’énergie de chaque atome : chaque niveau se démultiplie ; les niveaux d’énergie sont donc nombreux mais à des valeurs proches les unes des autres et on a donc plutôt des intervalles qu’on appelle les bandes. La dernière bande complètement remplie s’appelle la bande de valence : là où les électrons contribuent à la cohésion de l’ensemble.

Avec un apport d’énergie, certains électrons de valence peuvent alors se déplacer librement entre les différents atomes du solide au niveau de la bande de conduction et ces électrons sont dits délocalisés. Celle-ci contient un petit nombre d’électrons ou alors aucun. L’écart d’énergie séparant ces deux bandes est le gap.

bandes_solides

Alors voilà, un isolant électrique se caractérise par un gap important : les électrons de la bande de valence ne peuvent pas sauter vers la bande de conduction, l’écart ou le gap, est trop grand.

Un matériau conducteur au contraire, il n’y pas de gap : il y a chevauchement entre les deux bandes. Certains électrons de la bande de valence sont dans la bande de conduction : les électrons circulent alors facilement d’un atome à l’autre au sein du matériau; bref, il conduit bien l’électricité.

metal

Dans un semi-conducteur, on est entre les deux : le gap existe mais n’est pas si difficile à franchir. Avec un peu d’effort, un apport d’énergie suffisant de l’extérieur (chaleur, lumière), le tour est joué. Un électron se hisse de la bande de valence (laissant un trou derrière lui) vers la bande de conduction. Le déplacement d’électrons et la diffusion de trous assure la conduction électrique.

isolant_conducteur

Pour l’effet photo-électrique, les photons doivent véhiculer une énergie suffisante : ce n’est pas leur nombre qui compte mais la fréquence de la lumière (en gros la « couleur »).
Mais l’intensité lumineuse va jouer sur le nombre d’électrons « bousculés » donc sur l’intensité électrique.

image3

Le silicium et le dopage

Un atome de silicium possède 14 électrons, dont 4 sur la dernière couche  qui se répartissent entre différents atomes. Il s’agit du matériau semi-conducteur le plus utilisé avec un gap de 1,12 eV (contre 6 voire 10 eV pour un isolant). Bref, c’est faible et théoriquement des électrons peuvent sauter le fossé et passer dans la bande de conduction.

structure_si

Parlons maintenant du dopage (non, pas pour les courses cyclistes) parce qu’il faut bien donner un coup de main au matériau semi-conducteur pour faciliter le saut de l’électron et assurer le maintien de la circulation du courant électrique. Il s’agit d’ajouter une petite dose d’impureté à un semi-conducteur (environ un atome étranger pour 1 million d’atomes du matériau) : ce faisant, on génère localement un excès ou un déficit d’électrons et on casse la régularité de la structure cristalline. En cas d’excès, l’électron surnuméraire n’a pas sa place au sein de la bande de covalence. Il est rapidement délocalisé à un niveau plus haut et passe alors plus facilement vers la bande de conduction. On parle de semi-conducteur de type n (pour négatif).

En cas de déficit en électrons, il y aura forcément quelque part un trou dans leur distribution. Celui-ci sera vite comblé par un électron qui se déplace mais qui laisse derrière-lui … un trou… qui sera comblé par un électron …et ainsi de suite ! Bref, les trous se déplacent comme des bulles dans un verre d’eau Se crée alors un courant de trous positifs ! On parle alors de semi-conducteur de type p.

En général, c’est un montage avec une jonction p/n sur la face éclairée (et une jonction n/n+ sur la face arrière) qui est réalisé : cela assure la bonne circulation des électrons vers la face arrière.

nb : n+ signifie une zone avec un dopage renforcé de type n.

dopage

Effet photovoltaïque
Exposé à la lumière, une cellule photovoltaïque produit de l’électricité tout simplement parce que certains photons absorbés, fournissent le gain d’énergie nécessaire pour que des électrons passent vers la bande de conduction.
Si l’énergie des photos incidents est trop élevée (supérieure au gap), les électrons ont gagné de l’énergie en « trop » : le surplus est alors dissipé sous forme de chaleur : on parle de « désexcitation par thermalisation ».

On a donc forcément une perte d’efficacité. C’est la raison pour laquelle, on définit la performance photovoltaïque comme le rapport entre la puissance maximale produite et la puissance lumineuse incidente. Les pertes viennent des photons d’énergie inférieure au gap (non absorbés) et les pertes par thermalisation.
Selon le choix du matériau (imposant par exemple, la valeur du gap), on peut s’adapter au spectre solaire. La valeur optimale est voisine de 1,4 eV et un rendement maximum de 33%.

Les différents matériaux et leurs caractéristiques

  • La technologie cristalline

Alors encore quelques mots sur le silicium. La technologie la plus répandue est le « silicium cristallin » – parfois noté c-Si -: son gap est bien adapté au spectre solaire, il n’y a qu’un seul élément chimique mis en jeu, qui se trouve être très disponible à l’état naturel (sous réserve de transformer le quartz ou la silice -par réduction- en silicium, étape suivie d’une purification et d’une cristallisation).

Alors plusieurs méthodes permettent soit la synthèse de silicium monocristallin ou polycristallin.
Pour orienter la cristallisation, on part de silicium fondu et on refroidit :
– soit lentement : les atomes ont le temps de s’associer au sein d’un même cristal : un monocristal apparaît,
– soit rapidement : de nombreux cristaux se forment parce que les atomes s’organisent mais pas tous dans une même direction, les grains d’orientation différentes sont délimités par des joints de grain.

Sans organisation particulière, on parle de silicium amorphe (obtenu cette fois par vaporisation de Si sur un substrat).

schematic_of_allotropic_forms_of_silcon_horizontal_plain

Quel est l’effet sur la performance de la technique ? Le monocristal, bien rangé, conduit à la meilleure efficacité : les propriétés électroniques sont optimales à cause de la pureté du silicium dans cette configuration. Le silicium polycristallin est moins efficace car il présente des joints de grains nombreux qui provoquent une perte d’une partie des charges en leur sein.

La technologie « monocristallin » qui s’est donc largement imposée est certes la plus mature et efficace mais elle requiert un procédé lourd et coûteux, gourmand en énergie (même si de gros efforts ont permis la réduction de la consommation des fours).

  • la technologie en couche mince

C’est une des filières en plein développement actuellement. Ces technologies concernent le silicium amorphe, le CdTe (Tellurure de Cadmium), le CIS (Cuivre Indium Selenium) et CIGS (Cuivre Indium Gallium Selenium). Bref, on voit débarquer de nouveaux éléments chimiques associés en alliages.
La différence avec le silicium est que ces éléments absorbent beaucoup mieux les photons et qu’ils peuvent donc être mis en oeuvre sous forme de couche mince de quelques microns (contre 200 µm pour le silicium). Néanmoins, le rendement global de cette technologie est peu élevé (de l’ordre de 8-14 % en général contre 16-21% avec la filière classique au silicium monocristal et 11 à 15 % pour le polycristallin).
Notons que la limite physique est située autour de 30 % (une seule jonction).

La technologie CdTe est leader, avec un gap de 1,45 eV.

La technologie CIGS [Cu(In, Ga)Se2] : la substitution de l’In par du Ga a pour objectif de pouvoir moduler la valeur du gap entre 1 et 1.7 eV
L’utilisation des ressources en métaux rares (In, Te, Ge) reste néanmoins une préoccupation majeure de ce type de technologie.

Il nous reste le silicium amorphe noté a-Si, qui plaît par plusieurs atouts : abondant et non toxique, possibilité de le déposer par un procédé plasma à basse température sur de grandes surfaces. Mais comme on l’a vu, il se caractérise par une structure désordonnée ce qui pénalise ses propriétés électroniques et donc le rendement de conversion (faible mobilité électronique, difficulté de faire du dopage à cause de la structure désordonnée). On peut néanmoins atteindre des rendements de l’ordre de 10 %

  • la technologie hybride

Les faibles efficacités de conversion des technologies en photovoltaïque sont encore des facteurs limitants qu’il faut sans cesse chercher à dépasser. Cette faible efficacité est liée à plusieurs causes comme par exemple :
– la perte de  » lumière incidente » par réflexion sur la surface des cellules (qu’on cherche par ailleurs à protéger des environnements agressifs donc recouvertes d’un matériau transparent) (d’où les recherches visant à texturer la surface)
– dans le même ordre d’idée, on a également les pertes par ombrage,
– la recombinaison des électrons au niveau de la zone proche de la surface
– un gap concerné uniquement par une faible partie du spectre de la lumière solaire.

Les recherches ont donc conduit à essayer d’associer différents semi-conducteurs (nature chimique ou cristallographique différentes donc de gap différents ou des spécificités différentes) : c’est la technologie multi-jonctions.
C’est par exemple le cas de la technologie HIT (Heterojunction with Intrinsec Thin Layers) qui associe du silicium cristallin à une couche de silicium amorphe hydrogéné’* : un monocristal en sandwich entre deux couches fines amorphes, on parle d’hétérojonction. En général, les hétérojonctions ne sont pas favorables à la performance de la cellule notamment parce qu’au niveau de l’interface matériau cristallin-matériau amorphe, la discontinuité fait apparaître des liaisons « non satisfaites ». Mais le candidat « silicium amorphe hydrogéné » résout le problème car l’hydrogène permet de saturer les liaisons chimiques non satisfaites et passiver les défauts de surface : les recombinaisons à proximité de la surface sont limitées.  Cela permet de bénéficier des avantages des deux technologies (efficacité du c-Si,  diminution des recombinaisons en surface par le a-Si:H*)

Un peu dans le même ordre d’idée, la technologie « micromorphe » associe du silicium amorphe avec un matériau de silicium « microcristallin » (formé de petits cristaux en forme de colonnes). La dénomination « Micromorphe » est un néologisme dont l’Institut de Microtechnique (IMT) de l’Université de Neuchâtel est à l’origine. La cellule « tandem » permet l’absorption de photons dans des gammes de longueurs d’onde complémentaires.

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Microcristaux « colonnes » de Si associés à du silicium amorphe (a-Si) en bleu

Et si on allait voir de plus près ?
Je vous donne rendez-vous prochainement pour une petite visite du parc de démonstration Lumiwatt qui se situe au pied des terrils de Loos en Gohelle (Pas-de-Calais) !

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Références :
Mueller T. et al. , « Heterojunction Silicon Wafer Solar Cells using Amorphous Silicon Suboxides for Interface Passivation », Energy Procedia, Volume 15, Pages 97-106, 2012

https://en.wikipedia.org/wiki/Micromorph

 

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