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ARTICLE TECHNIQUES DE L’INGÉNIEUR L’expertise technique et scientifique de référence Techniques de l’Ingénieur be8579 p2645 Spectrométrie de masse – Principe Électricité photovoltaïque – Matériaux et marchés et appareillage 10/01/2013 Date de publication par Abdelilah SLAOUI BOUCHOUX Directeur ore Sni* to View : 12/09/2014 de recherche, Laboratoire des Sciences de l’ingénieur, de l’informatique et de l’imagerie Professeur à l’université Directeur de recherche Laboratoire des Sciences de l’ingénieur, de finformatique et de l’imagerie (ICU3E), CNRS et Université de Strasbourg 1. 1 1. 2 1. 3 . Filières technologiques………… Première génération : filière silicium en plaquettes Deuxieme génération : filière silicium en couches minces — Autres filières en couches minces Autres filières en emergence . 2. 2. 1 2. 2 2. 3 Marché du photovoltaïque.. Types de marché Évolution de la puissance cumulée . Coût de l’énergie PAGF 3 pratique donne une évaluation rapide du dimensionnement d’une installation photovoltaïque. Ce dossier [BE 8 579] s’intéresse aux différentes filières d’élaboration du dispositif photovoltaïque avec en revue les matériaux potentiels et les technologies associés.

Le procédé de fabrication du composant st associé au semiconducteur utilisé mais des verrous technologiques, d’ordre technologiques et d’ordre écologiques, restent encore ? lever. En effet, si la cellule photovoltai@ue produit de l’électricité sans aucun rejet dans l’atmosphère, beaucoup de procédés actuels de fabrication sont proches de ceux de la microélectronique et mettent en jeu trop d’opérations qui nécessitent l’usage de produits chimiques et de gaz extrêmement toxiques.

Les prévisions optimistes prédisent qu’avant la fin de la première moitié de ce siècle, la conversion directe de la lumière du soleil en électricité grâce u photovoltaïque (PV) devralt franchir le seuil qui le rendra compétitif par rapport aux autres sources de production d’électricité. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – @ Editions T. l. Ce document a été délivré pour le compte de 7200030444 – pres universite paris est // 195. 221. 194. 4 579v2-1 43 polycristallin 50 sc-Si silicium monocristallin 40 CIS chalcogénures 30 Cz tirage Czochralski 70 60 THR Limite simple jonction 20 croissance électromagnétique tirage par zone flottante 3 années tant sur e rendement de conversion que sur la fiabilité, accompagnés par le développement d’équipements appropriés à cette filière. Compte tenu du peu de matière utilisé et des technologies associées, le coût rendement/puissance généré est fortement orienté vers la baisse 1 €AtV) par rapport à la filière dominante mais une recherche innovante associée à un développement industriel sera encore necessalres. c-Si La forte demande en énergie et le tarissement des sources d’énergie conventionnelles, associés au réchauffement climatique annoncé, ont été depuis longtemps des facteurs très motivants our le développement des cellules photovoltaïques les plus performantes et pour trouver des procédés innovants permettant de réduire drastiquement les coûts de fabrication.

Ainsi, la première génération (notée l) de cellules solaires utilisant des plaquettes en silicium montées en module est actuellement mature, et les progrès concernent essentiellement la réduction du nombre d’étapes de leur fabrication (via l’automatisation par exemple) et la réduction du coût de la matière première (silicium charge). En dépit du coût élevé, plus de 95 % des modules installés sur les champs et les toits utilisent des cellules olaires en silicium cristallin.

PAGF s 3 pertes optiques et électriques, et contourner la limite Shockley- Queisser des composants à simple bande interdite (limite simple jonctlon) qui limlte le rendement à 31 96. De nouveaux matériaux, notamment nanostructurés, sont potentiellement intéressants et doivent encore être développés et étudiés. Pour compléter cette vue globale, nous avons représenté sur la figure 2 les évolutions des rendements de conversion des meilleures cellules de laboratoire pour les différentes filières d’élaboration de dispositifs photovoltaïques.

La plus ancienne est ilière du silicium cristallin (x-Si), avec des premières cellules réalisées par Bel Lab. (USA) en 1954, en même temps que la réalisation des premières diodes et transistors. Elle reste toujours la voie la plus avancée sur le plan technologique et industriel. Pour les est strictement interdite. – @ Editions T. I. ÉLECTRICITÉ PHOTOVOLTAÏQUE cellules à base de plaquettes en silicium cristallin, les rendements en laboratoire sont de 24,7 atteignant ainsi presque les limites théoriques du silicium. our les rendements sur de grandes surfaces, [‘avenir passe par une réduction drastique des coûts et ne constante augmentation des rendements industriels au-del? des 16 à 18 % actuels. Les couches minces à base de silicium amorphe (a/nc-Si) et de cuivre-indium-gallium-sélé nt commencé à être PAGF 6 3 avec une industrialisation trop rapide et décevante pour la première, et une progression du rendement de conversion plus prometteuse pour la seconde. Pour ces filières, les rendements industriels stagnent autour des 10-12 %.

L’objectif majeur reste l’augmentation des rendements de conversion pour le silicium (amorphe, polymorphe, micro- et polycristallin) ainsi que pour les matériaux composés à base de chalcogénures CdTe, CIGS, CZTS (Copper Zinc Tin sulphide). Les filières à base de matériaux organiques (DSC, OPV) sont encore au stade du laboratoire mais progressent assez rapidement. En effet, pour les cellules à base de petites molécules, le rendement de conversion est de 8-9 % en début de vie. Une encapsulation efficace de ces cellules est une clé essentielle pour un succès commercial.

Ruban de Si a -Si a – Sl/mono c-Si pc – Si CdTe 1,8 % Mono c -Si 26,9 % 7 3 validation des concepts. Pyramides Inverse es Silicium de type p p 1 . 1. 1 Matière première de silicium À la base de toute l’industrie électronique moderne, le silicium st obtenu par réduction de la silice dans un four électrique à arc plus de 200 oc. On obtient ainsi un matériau dit « métallurgique dont la pureté est d’environ 98 Ce produit est purifié par chlorination à 300 oc, ce qui donne du silicium sous forme gazeuse (trichlorosilane ou silane).

Après pyrolyse et réduction par de l’hydrogène à 1 100 oc, le matériau obtenu est sous la forme d’une poudre de haute pureté ; les traces d’impuretés résiduelles sont inférieures au ppm masse. II sert alors de produit de départ pour la croissance de lingots, qui sont utilisés dans les industries de la icroélectronique et photovoltaïque et dans lesquels sont découpées les plaquettes. Cette matière première coûte de plus en plus cher en raison de la forte augmentation de la demande.

De ce de grands groupes chimiques se réoccupent de développer un matériau de qualité solair hniques de purification PAGF tranches de 300 pm d’épaisseur. Le silicium le plus produit est de type p, c’est-à-dire dopé avec du bore, par Contact arriere Oxyde Figure 4 – Structure de la cellule de laboratoire la plus performante (doc. Photovoltaics Special Research Center UNSW) apport de poudre contenant le bore. La concentration est comprlse entre 101 6 et 1017 atomes cm-3, de façon à présenter une résistivité de l’ordre de 0,1 à 1 n • cm.

Ce choix résulte d’un compromis entre une résistivité la plus faible possible et un dopage modéré afin d’éviter la dégradation de la longueur de diffusion des porteurs photogénérés. Par la suite, on crée une barrière de potentiel nécessaire à la collecte des charges, c’est-à-dire la structure émettrice des photovoltaïques. Cette étape est détaillée dans le dossier précédent [BE 8 578″2], figure 6.

Il existe une seconde méthode pour produire du silicium de ualité électronique : on chauffe jusqu’à la fusion une zone que l’on déplace le long d’un lingot. Du fait de la ségrégation des impuretés métalliques dans les zones fondues, on récupère un lingot de silicium purifié (mais plus cher), que l’on nomme FZ (zone flottante). Avec les matériaux Cz et F icro-électronique, il est PAGF 3 Oxyde mince (20 nm) BE 8 579v2 -3 ELECTRICITE PHOTOVOLTAIQUE 1 . 1. Silicium multicristallin (mc-Si) La figure 3 montre que la majorité des modules photovoltaïques sont à base de silicium polycristallin (poly c-Si), plus souvent appelé en France silicium multicristallin (mc-Si). Cintérêt du ilicium multicristallin est au niveau de coûts de production plus faibles, du fait de l’utilisation de procédés de coulage des lingots en blocs, beaucoup plus rapides et moins coûteux en énergie que dans le cas de la synthèse de monocristaux Cz ou FZ (24 à 48 contre quelques semaines pour ces derniers).

Spires radiofréquences (chauffage) Creuset en quartz Isolation une variante de la technologie de croissance par coulage de mc-Si, le procédé Polix de EDF-PW, est représentée figures 5 et 6. Des blocs de plus de 450 kg sont ainsi obtenus par refroidissement contrôlé du silicium en fusion dans un moule de nature appropriée