Comparaison entre les modules amorphes et micromorphes 

Comparaison entre les modules amorphes et micromorphes 

 Introduction 

Le terme photovoltaïque désigne le processus physique qui consiste à transformer l’énergie lumineuse en énergie électrique par le transfert de l’énergie des photons aux électrons d’un matériau. Le principe photovoltaïque a été découvert par le physicien français Antoine Becquerel en 1839 et expliqué par Albert Einstein en 1905 [4]. Le silicium (Si) représente une matière première idéalement adaptée à la production d’énergie fiable et renouvelable par la voie photovoltaïque. Premièrement, il ne présente aucune toxicité connue pour l’homme. Ensuite, il est abondant dans la nature : un quart de la croûte terrestre est constituée de silicium. Par exemple, le sable tel qu’il se trouve sur les plages, est composé essentiellement de silice ou dioxyde de silicium (SiO2). Finalement, la propriété électronique essentielle, le « gap » (band gap ou bande interdite) du silicium, d’une largeur de 1,12 eV, est favorable à l’absorption de photons dans la gamme d’énergie visible. Les premiers types de panneaux solaires développés en laboratoire utilisaient du silicium monocristallin (cristal de silicium pur). En laboratoire, une simple jonction p-n de silicium monocristallin suffit pour atteindre des efficacités de plus de 20%.D’autres types de silicium ont été explorés, comme le silicium amorphe hydrogéné a-Si : H qui possède un gap de 1.7 eV et peut être produit par dépôt en couches minces. Le silicium microcristallin μc-Si: H peut également être fabriqué par dépôt en couches minces. Ce type de silicium possède un gap égal à ~ 1.1 eV, plus petit que celui du silicium amorphe. Il peut donc absorber une plus grande partie du spectre solaire. Par contre, les temps de dépôt typiques du silicium microcristallin sont plus longs que ceux du silicium amorphe, rendant les coûts de production plus élevés. La production de silicium cristallin consomme d’importantes quantités d’énergie à partir de la matière première, l’idée ou la solution trouvée est d’utiliser une technologie en couches minces. Depuis la découverte des propriétés photovoltaïques du silicium amorphe hydrogéné a-Si: H à l’université de Dundee, en 1975, et après la réussite de son dopage en 1975 par Spear et al [5] a déclenché un intérêt énorme pour ce matériau. Les scientifiques et les industriels du monde entier ont déployé une intense activité dans le domaine des couches minces, qu’a été exploitée depuis les années 1980, et plus particulièrement celle basée sur ce matériau. Cet engouement subi était dû principalement au fait que ces couches ont un coefficient d’absorption de la lumière solaire de plusieurs ordres de grandeur supérieur à celui du silicium cristallin. Ainsi, un module photovoltaïque en couches minces peut-il être réalisé en une couche 400 fois plus mince qu’une cellule photovoltaïque cristalline et avec une surface 40 fois plus grande. Il semble 7 naturel d’en conclure que les coûts devraient être beaucoup plus faibles, la disponibilité des matériaux de base plus grande et le procédé de fabrication des modules plus simple et moins cher. Ce genre de cellule qui est classé dans la deuxième génération, parmi les technologies en couches minces qui sont exploitées : le silicium en couche mince de silicium amorphe hydrogéné, et de silicium microcristallin ; et d’autres technologies comme le tellurure de cadmium CdTe, et ‘’Copper Indium Gallium Selenide’’CIGS. Ces matériaux sont déposés par des procédés tels que PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) sur un substrat. L’épaisseur de la couche varie entre quelques nanomètres à des dizaines de micromètres. Ces technologies qui étaient initialement chères étaient réservées aux applications spatiales et aux technologies de concentration. Avec l’augmentation des volumes de production, le prix de revient de ces technologies a baissé pour devenir compétitif avec les technologies cristallines de la première génération. Ces technologies sont caractérisées par des efficacités de conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique allant de 5 à 7% pour le silicium amorphe hydrogéné et jusqu’à 9% pour le silicium microcristallin (silicium en couche mince), et 5 à 11% (CdTe Tellurure de cadmium). 

Le silicium amorphe

 Le silicium amorphe a une structure atomique désordonnée, non cristallisée, vitreuse, mais il possède un coefficient d’absorption de la lumière environ 1000 fois supérieur au silicium cristallin. Une fine couche de 0,3 µm est donc suffisante pour absorber l’essentiel du spectre visible [6]. Il est obtenu de façon simple par dépôt en phase vapeur sur des substrats économiques tels que le verre, le quartz, la céramique ou l’aluminium. La décomposition en phase vapeur du silane SiH4 à basse température (200 à 400°C) permet de déposer du silicium amorphe hydrogéné avec une vitesse avoisinant la dizaine de nanomètres par minute [7].Cependant, la grande densité de défauts du silicium amorphe (liaisons pendantes, états d’interface, structure multicristalline) limite son rendement de conversion, entre 5 et 6 % et des problèmes de stabilité apparaissent rapidement quand on l’expose au soleil et aux intempéries (quelques centaines d’heures). 

 Silicium amorphe hydrogéné a-Si : H 

Le silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) est un matériau issu de la famille des semiconducteurs; cette forme de semi-conducteurs a été découverte vers le début des années soixante; dans un premier temps elle n’était pas utilisable car elle avait beaucoup trop 8 de défauts, mais vers la fin des années soixante, Chittick [8] a observé qu’en déposant le silicium amorphe par un plasma de silane (SiH4), plus de 99.9 % des défauts étaient saturés par l’hydrogène, ce qui rendait ce matériau utilisable comme semi-conducteur. Dès cette découverte, il était devenu l’objet de recherches intensifiées. La recherche de nouvelles ressources énergétiques, ainsi que de nouvelles applications en font un matériau actuellement encore en pleine évolution. La figure suivante représente la structure du silicium amorphe Figure 2 : Structure cristalline, amorphe et amorphe hydrogéné 

 Silicium microcristallin hydrogéné µc-Si : H

Structure de silicium microcristallin

 Le Silicium microcristallin se présente sous la forme de grains monocristallins (cristallites) séparés par des joints de grains figure II.2. Il est considéré comme intermédiaire entre le silicium amorphe et le silicium cristallin. La taille des grains du silicium microcristallin se situe entre quelques nanomètres à environ 1 micromètre. Il est caractérisé par une technologie à faible cout de dépôt et une température faible en comparaison avec le silicium cristallin et proche de celle d’a-Si: H. Mais le μc-Si: H a une structure ayant moins de défauts par rapport au a-Si: H du fait que: – Sa structure est intermédiaire entre le silicium cristallin qui est ordonné et le silicium amorphe hydrogéné qui est désordonné. – l’hydrogène assure la saturation des liaisons brisées. . 9 Figure 3 : Structure du silicium microcristallin µc-Si : H 

 Propriétés de μc-Si: H 

Si la fraction cristalline est suffisamment grande, les propriétés électroniques sont dominées par la phase cristalline dans la matière. Donc, les propriétés de transport des porteurs de charge sont nettement supérieures à celles de a-Si: H. En outre, l’effet de la dégradation induite par la lumière est faible dans le μc-Si: H en comparaison avec l’a-Si : H. En raison de la grande quantité de joints de grain (régions amorphes), les propriétés électroniques sont encore inférieures à celles de silicium monocristallin. La conductivité de μc-Si: H est de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle d’a-Si: H. Il est bien admis que le μc-Si: H est plus ordonné que l’a-Si: H. En raison de l’ordre, il y’a une augmentation du nombre d’états de la queue délocalisés. Le μc-Si: H est caractérisé par un gap de 1.1 eV qui est proche de celui du silicium monocristallin. Le matériau μc-Si: H présente un coefficient d’absorption supérieur à celui du c-Si et inférieur à celui d’a-Si: H. 

 Fonctionnement d’une cellule solaire photovoltaïque à base de silicium amorphe ou microcristallin 

 Principe de base Le principe de base d’une cellule solaire faite avec un matériau semi-conducteur comme le silicium amorphe ou microcristallin consiste en une jonction p-i-n, c’est à dire: une zone de silicium dopée “p”- une zone de silicium non dopée (intrinsèque) – une zone de silicium dopée “n”. La Figure II.3 schématise le fonctionnement d’une cellule solaire de ce type: Figure 4 : Principe de fonctionnement d’une cellule solaire en silicium amorphe ou microcristallin Lorsqu’un photon d’énergie supérieure au gap du silicium atteint la zone intrinsèque, il est absorbé pour créer une paire “électron-trou”. Un courant électrique est alors généré par la séparation de cette paire “électron-trou”, en direction des deux bornes opposées de la cellule. Cette séparation se fait sous l’action du champ électrique présent dans la zone de silicium intrinsèque. Le trou et l’électron créés dans la couche “i” doivent traverser les couches de silicium dopées (“p” et “n”) avant d’atteindre les bornes de la cellule solaire. Malheureusement, ces couches dopées de silicium amorphe ou microcristallin possèdent énormément de “défauts” divers qui provoquent la recombinaison des électrons et trous dans ces couches avant que ceux-ci aient pu atteindre les bornes de la cellule. C’est pourquoi on donne à ces couches dopées le moins d’épaisseur possible. Deux couches conductrices de courant placées aux bornes de la cellule vont récupérer l’électron et le trou qui n’auront alors plus beaucoup de risques de se recombiner.