Principes PV
 

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Les cellules
 
Les cellules de première génération


Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière, génère une tension électrique : cet effet est appelé l'effet photovoltaïque.

Les cellules de première génération [les plus courantes aujourd'hui] sont constituées de semi-conducteurs à base de silicium (Si), de sulfure de cadmium (S Cd) ou de tellure de cadmium (Cd Te). Elles se présentent sous la forme de deux fines plaques [type-n et type-p] en contact étroit [jonction n-p].

Une telle cellule est considérée comme un détecteur de lumière (photodiode), qui -lorsqu’on l'éclaire avec une certaine quantité de lumière- produit du courant électrique.

Elle mesure à peu près 100 cm2 [carré de 4 pouces] et produit environ 0.5 Volts.

Elle est fabriquée à partir de matériaux semi-conducteurs (Silicium monocristallin, silicium polycristallin, silicium amorphe, et dans une moindre mesure l’arséniure de gallium, et le cadmium).

la cellule "photovoltaïque" est aussi appelée cellule "photo-galvanique".

 


Silicium monocristallin [1ère génération]



silicium monocristallin
Technologie sc-Si


A base de cristaux de silicium encapsulés dans une enveloppe plastique, les cellules en silicium monocristallin ont un très bon rendement mais elles sont chères à fabriquer.

Rendement des cellules

Ces cellules sont en général bleue (une des trois couleurs primaires) uniforme. Ces monocristaux sont fabriqués par la fusion de silicium de grande pureté qui, lors du refroidissement, se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension. Il sont ensuite convertis en lingots de silicium de section ronde. Ces derniers sont sciés en tranches (plaquettes) de 0,2 à 0,3 mm d'épaisseur qui forment la base des cellules monocristallines. Pour éviter les espaces vides (donc perdus) dus à la forme ronde, elles sont en final taillées en forme plus ou moins carrée.

Avantages Inconvénients
très bon rendement de 120Wc/m2 - 15 à 22% coût élevé,
rendement faible sous un faible éclairement.



Silicium polycristallin [1ère génération]



silicium monocristallin
Technologie mc-Si


A base de polycristaux de silicium, notablement moins coûteux à fabriquer que le silicium monocristallin, mais qui ont aussi un rendement un peu plus faible. Ces polycristaux sont obtenus par fusion des rebuts du silicium de qualité électronique dans un moule de manière contrôlée.

Rendement des cellules

Les lingots de silicium obtenus sont sciés en tranches de 0,3 mm d'épaisseur. Pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs cristaux: Lors de la solidification, les cristaux s'orientent de façon irrégulière. Ce genre de cellule est également bleue, mais pas uniforme: on distingue alors des motifs créés par les différents cristaux.

Avantages Inconvénients
bon rendement de 100 Wc/m2 - 10 à 13%
coût de fabrication faible
rendement faible sous un faible éclairement.

Ce sont les cellules les plus utilisées pour la production d'électricité photovoltaïque grâce à leur bon rapport qualité-prix.



Silicium amorphe [2ème génération]



silicium amorphe
Technologie a-Si:H


Le silicium n'est pas cristallisé, il est déposé sur une feuille support. La cellule est gris très foncé. C'est en particulier la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires".

Rendement des cellules

Cette technologie permet d'utiliser des couches très minces de silicium (0,5 à 2 micromètres), qui sont appliquées sur du verre, du plastique souple ou du métal, par un procédé de vaporisation sous vide. Elles nécessitent moins de matière première et sont surtout utilisées pour des applications électriques de faible puissance. Cependant de nouvelles applications se développent, notamment leur utilisation sur des membranes étanches de couverture.

Avantages Inconvénients

coût de fabrication très faible
fonctionnent avec un éclairement faible, même par temps couvert ou à l'intérieur d'un bâtiment
faible sensibilité aux températures élevées

rendement faible de 60 Wc/m2, 6 à 7%, en plein soleil.
performances diminuant avec le temps.

exemple d'application spécifique : la semi-transparence

cellule photovoltaique amorphe semi transparente

cellule photovoltaique amorphe semi transparente



Silicium hybride [2ème génération]



silicium hybride
Technologie a-Si:H / sc-Si (HIT)


Il s'agit d'une cellule hybride constituée
d'un cellule monocristalline recouverte d'une fine couche de silicium amorphe.

Rendement des cellules



Avantages Inconvénients

très bon rendement
fonctionnent avec un éclairement faible, même par temps couvert ou à l'intérieur d'un bâtiment
faible sensibilité aux températures élevées

performances diminuant un peu avec le temps.

 




Couches minces [2ème génération]



cellule photovoltaïque couches minces


Les cellules à couche mince sont à base de diséléniure de cuivre et d'indium (CIS) ou en tellurure de cadmium (CdTe).

Rendement des cellules

Ces cellules ont des rendements modestes et nécessitent de grandes surfaces, mais elles manifestent une plus grande tolérance aux éléments masquants les rayons lumineux et une moindre perte de rendement due à l'augmentation de la température.

Une couche mince [thin film] est un revêtement dont l’épaisseur peut varier de quelques couches atomiques à une dizaine de micromètres. Cette couche, déposée sur un substrat, modifie les propriétés de ce dernier. C’est pour cela que les couches minces de matériaux semi-conducteurs sont utilisées pour les panneaux photovoltaïques essentiellement pour leurs propriétés isolantes et conductrices.

Avantages Inconvénients

coût de fabrication très faible
fonctionnent avec un éclairement faible
faible sensibilité aux températures élevées

rendement encore limité [mais la recherche progresse]

Trois types de cellules dominent le marché :

Les couches minces de silicium [mono ou multi-cristallin et amorphe]
Les couches minces de tellurure de cadmium [CdTe]
Les couches minces de di-séléniure de cuivre-indium [CIS]

Le principal défi technologique de la filière des couches minces se situe au niveau de l’opération de dépôt du semi-conducteur sur le substrat. Il fait l’objet des principales recherches industrielles françaises dans ce domaine via des acteurs comme l’INES, Solsia, Alliance Concept,…


Autres technologies


Cellule Tandem

Appelée ainsi car cette technologie utilise l'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 Inconvénients

sensibilité élevée sur une large plage de longueur d'onde.
bon rendement.

coût élevé dû à la superposition.


Cellule multi-jonction

Développées pour des applications spatiales, les cellules multi-jonctions sont constituées de plusieurs couches minces qui utilisent l'épitaxie par jet moléculaire (ou MBE : Molecular Beam Epitaxy).

Vidéo sur le MBE.

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 (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail). 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. Le coût de ces cellules est de l'ordre de USD 40 $/cm².


Diséléniure de Cuivre et d'Indium [CIGS]

Cellule en couche mince.

Différents moyens de productions sont utilisés de part le monde :

coévaporation
pulvérisation
sérigraphie

Silicium sur céramique

Tellurure de Cadmium [CdTe]

Cellule en couche mince.

Une des cellules de 3ième génération les plus en avance (et les plus produite) avec les cellules hybrides.

 

Etudes en laboratoires

Silicium micro-cristallin [µc-Si]
Cellules nano-cristllines à colorant [TiO2]
Dichalcogénures de métaux réfractaires [MS2]
Cellules polymeres



 



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