Technologie et fonctionnement des cellules solaires

Étude de la fiabilité des structures silicium employées dans le domaine des énergies renouvelables suite à leur fonctionnement sous conditions extrêmes

Introduction

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui transforme directement l’énergie lumineuse portée par les photons en électricité portée par des électrons grâce à l’effet photovoltaïque. La cellule photovoltaïque fournit une tension continue. Les constituants de la plupart des cellules photovoltaïques sont des semi-conducteurs fonctionnant suivant le principe de la jonction PN, c’est à dire sur le principe de la diode. Actuellement elles sont majoritairement à base de silicium (Si) formant des plaques fines de quelques microns d’épaisseur et d’une dizaine de centimètres de côté. Le sujet de ce mémoire étant basé sur l’étude du module silicium, je privilégierai l’étude de ce type de module et de ses propriétés dès ce chapitre introductif. Ce chapitre présente la structure d’une cellule photovoltaïque et son fonctionnement basé sur une bibliographie récente permettant d’aider à une meilleure compréhension des propriétés étudiées. Dans ce chapitre, nous présenterons également les caractéristiques électriques de chaque élément de la cellule afin de développer un circuit équivalent précis. Puis nous proposerons plusieurs modèles électriques représentant la cellule photovoltaïque. Ainsi plusieurs paramètres affectant le fonctionnement de la cellule solaire seront définis et leurs influences détaillées. Ce chapitre se terminera par une discussion la description des défauts profonds et l’étude des pièges. Figure 1 : Effet photovoltaïque Bref historique sur l’évolution des systèmes photovoltaïques Les systèmes photovoltaïques pour la production d’énergie électrique sont utilisés depuis environ un demi-siècle environ. Les applications ont commencé avec le programme spatial pour assurer l’alimentation des satellites, et en particulier leurs systèmes de transmission Thèse Jean Zaraket 22 radio. Mais l’effet photovoltaïque a été découvert bien antérieurement. Voici donc quelques dates importantes de l’histoire de la cellule photovoltaïque : – En 1839, Edmond Becquerel physicien français découvre l’effet photovoltaïque [1, 2]. Il produit pour la première fois du courant électrique dans un matériau solide à partir de l’utilisation de l’énergie lumineuse. – En 1954, Chapin, Pearson et Prince, trois chercheurs américains, créent une cellule photovoltaïque au moment où l’industrie cherche pour alimenter ses satellites des nouvelles solutions. C’est alors que les chercheurs des laboratoires Bell (Aux Etats-Unis) développent la première cellule photovoltaïque (ou photopile), découvrant qu’il était possible d’augmenter la photosensibilité du silicium en ajoutant des « impuretés » ou « dopage », utilisé dans tous les semi-conducteurs pour l’électronique et la photonique [3]. – En 1958 la première cellule ayant un rendement de 9 % est obtenue. – En 1973, à l’Université de Delaware est construite la première maison alimentée par des cellules photovoltaïques [3]. – Enfin, en 1983, c’est en Australie qu’est réalisée l’alimentation de la première voiture par l’énergie photovoltaïque qui réussit à parcourir une distance de 4000 km [3] Pendant toute cette période de nouvelles technologies sont apparues, basées sur des nouveaux semi-conducteurs comme par exemple les matériaux III-V, par de nouvelles structures de cellules, comme par exemple les multi-couches ou encore par de nouveaux concepts comme celui mis en œuvre dans les cellules solaires à concentration. Néanmoins, encore actuellement, les cellules à base de silicium dominent très largement le marché du photovoltaïque solaire dans la production d’énergie électrique. Structure des cellules PV Comme indiqué ci-dessus, les cellules photovoltaïques utilisent divers matériaux et technologies telles que le silicium mono- ou poly- cristallin (c-Si), celles à base de tellurure de cadmium (CdTe), d’arséniure de gallium (GaAs), de diséléniure de cuivre et d’indium (CuInSe2, CIS) dopé au gallium (CIGS), de sulfure de cuivre-zinc-étain (CZTS) et sélénium (CZTSSe) et d’autres [2,4]. Le diagramme de la figure 2 montre que plus de 90% des industries photovoltaïques utilisent du silicium comme matériau de base malgré une efficacité quantique des cellules à base de silicium limitées à environ 25% [5]. L’importance de la technologie silicium est dû à au fait Thèse Jean Zaraket 23 qu’elle est bien maîtrisée par l’industrie des semi-conducteurs et dû fait également à son abondance sur terre [6]. En effet, ce semi-conducteur présente plusieurs avantages : il est extrait à partir du sable qui est abondant à la surface du globe, il n’est pas toxique comme certains semi-conducteurs III-V, il possède un oxyde naturel (SiO2) présentant d’excellentes propriétés diélectriques et on peut facilement le doper avec du Phosphore ou du Bore. Ainsi, le Si présente d’excellentes qualités électroniques, et il bénéficie d’une implantation importante et durable dans l’industrie de la microélectronique. Néanmoins, son seul vrai inconvénient est son faible gap (1.1 eV) qui de plus est un gap indirect qui augmente les pertes et limite son absorption au domaine spectral couvrant le visible et le proche infrarouge. Par exemple, pour absorber 90% du spectre solaire, on a besoin de 1μm de GaAs là ou 100μm de silicium seront nécessaires. Figure 2 : Utilisation des matériaux photovoltaïques [7] Les trois principales technologies silicium utilisées pour la réalisation des cellules photovoltaïques sont celles à base de Si monocristallin, silicium poly-cristallin et silicium amorphe [8]. Actuellement, la grande majorité des cellules solaires en silicium cristallin sont produites selon l’architecture « Passivated Emitter and Rear Cell » (PERC). Le schéma de principe de la structure des cellules photovoltaïques est représenté dans la figure 3 :  Figure 3 : Structure d’une cellule photovoltaïque [9] On trouvera dans ces cellules, de la face avant à la face arrière : – Pâte en argent sérigraphie pour former les contacts – Couche avant passivée et dotée d’un traitement antireflet – Wafer dopé avec du Bore (type P) pour former la jonction P-N – Surface arrière – aluminium Back Surface Field (Al-BSF) – Une couche arrière également passivée – Pâte d’aluminium sérigraphie La Passivation des faces avant et arrière a pour rôle d’améliorer les qualités électroniques de la surface et du volume du matériau en neutralisant les effets de ses défauts électriquement actifs. La couche antireflet (CAR) est utilisée pour minimiser la réflexion de la lumière [10]. La texturation de la surface à base du silicium est utilisée pour diminuer la réflectivité directe de la surface de la cellule. En effet, la texturisation provoque des réflexions multiples à la surface de la cellule et augmente le trajet parcouru par le faisceau optique avant de ressortir de la cellule en le déviant la couche dite « Back Surface Field (BSF) » crée une barrière de potentiel sur la face arrière de la cellule (jonction PN) limitant les recombinaisons sur cette face [10]. Les contacts face avant et arrière à l’émetteur et du substrat servent à collecter le courant de porteurs photo-générés. Comparaison des trois principales technologies à base Si Comme précédemment signalé, plusieurs matériaux semi-conducteurs, tels que le silicium cristallin, le silicium amorphe, l’arséniure de gallium et les ardoises de sulfure, sont utilisés dans la production de cellules solaires photovoltaïques [11-14] et de ces matériaux, le Thèse Jean Zaraket 25 silicium est le plus dominant dans la fabrication des modules PV. Je rappelle les trois technologies de cellule à base de silicium : monocristalline, poly-cristalline et amorphe. 

Le silicium monocristallin

Le silicium monocristallin est obtenu à partir de la silice de quartz ou de sable par transformation chimique métallurgique. Son coût de fabrication est légèrement élevé comparativement aux autres technologies silicium. Elles sont élaborées à partir de Si fondu en utilisant la technique de croissance de Czochralski dans les conditions de tirage spécifiques, permettant la formation d’un bloc monocristallin. [15] Leur durée de vie moyenne est de 30 ans. Ces cellules de couleur bleue uniforme possèdent, en standard, un bon rendement nominal de 14% à 20% pour les cellules commerciales, une densité de puissance variant entre 100 et 150 Wc/m2 (7 m2 /k Wc). Néanmoins, le rendement de ces cellules se dégrade rapidement sous faible éclairement. Par ailleurs, ce rendement est également affecté d’une diminution importante avec l’élévation de la température. Figure 4 : Silicium monocristallin [15] 2. Le silicium poly-cristallin : Le silicium poly-cristallin est un matériau composé de nombreux cristaux de silicium monocristallin juxtaposés obtenus par moulage. Ce matériau est de ce fait moins coûteux à produire que le silicium monocristallin car permettant l’utilisation de chutes contrôlées de l’industrie électronique. Les cellules dans cette technologie possèdent la même durée de vie que les précédentes de 30 ans. [15] La couleur des cellules est bleue mais non uniforme, on distingue des motifs créés par des différents cristaux. Ces cellules présentent des rendements moins importants que celle monocristalline avec un rendement nominal de l’ordre de 11% à 15% et avec une densité de puissance de 100 Wc/m2 (8 m2 /k Wc), un rendement faible sous un faible éclairement et une perte de rendement avec l’élévation de la température. Thèse Jean Zaraket 26 Figure 5 : Silicium poly cristallin [15] 3. Le silicium amorphe : Les cellules à base de silicium amorphe sont composées des couches très minces de silicium, déposées sur du verre, du plastique souple ou du métal, par un procédé de vaporisation sous vide. De ce fait, cette structure est surtout utilisée, dans des panneaux souples, bien qu’elle se développe pour la réalisation de panneaux rigides actuellement. Figure 6 : Cellule amorphe [15] Les cellules à base de silicium amorphe sont plus chères que les autres technologies et la durée de vie moyenne est également diminuée par rapport aux deux autres technologies car égale à 20 ans. De même leur performance diminue plus fortement avec le temps et elles présentent un rendement faible variant entre 5% et 9%, avec une densité de puissance de 50 Thèse Jean Zaraket 27 Wc/m2 (16 m2 /k Wc). Néanmoins, cette cellule à une faible sensibilité avec l’élévation de la température. [15] Utilisation des cellules photovoltaïques pour la production d’électricité d’origine renouvelable L’utilisation principale des cellules photovoltaïques est la production d’électricité d’origine renouvelable. Dans ce cas, la source lumineuse est le soleil et les cellules sont alors implantées dans des modules formant le générateur photovoltaïque assurant la conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique. Ces générateurs ont différentes topologies et intègrent des cellules de différentes technologies en fonction de leur implantation et leur destination. Nous trouvons ses générateurs dans des systèmes embarqués comme les satellites, pour des utilisations domestiques individuelles ou collectives (par exemple implantés sur des toitures) connectés ou pas au réseau ou pour la production d’électricité sur une plus large échelle avec la réalisation de centrale. Le principe de la conversion photoélectrique est vu dans le paragraphe suivant. Le spectre du rayonnement solaire est composé de photons dont la longueur d’onde varie de l’ultraviolet, λ = 0.2 μm, à l’infrarouge lointain, λ = 2.5 μm en passant par le visible, entre λ = 0.4 μm pour la couleur bleue, et λ = 0.78 μm pour la longueur d’onde supérieure du rouge. [16] L’énergie reçue par la terre varie en fonction de l’angle d’incidence et du temps et est largement affectée par la traversée de l’atmosphère qui absorbe une partie du spectre lumineux solaire de façon différente en fonction de la longueur d’onde due aux composants qui le composent. Pour évaluer l’intensité du rayonnement solaire reçu par la terre, la notion d’Air Mass a été introduite. Elle permet de tenir compte dans les calculs d’efficacité quantique des cellules solaire à partir du rayonnement solaire de l’angle 𝜃 formé par le soleil et la normale à la surface de la terre. La figure 7 illustre cette notion avec pour l’Air Mass, AM, l’équation : 𝐴𝑀 = 1 𝑠𝑖𝑛 𝜃 (1) Thèse Jean Zaraket 28 Figure 7 : Normes de mesures du spectre d’énergie lumineuse émis par le soleil, notion de la convention AM. [17] Une masse d’air nulle, AM0 correspond à la constante solaire hors atmosphère directe, c’est à dire orthogonale à la surface de la terre et qui a pour valeur 1350 W/m². C’est cette valeur qui est utilisée pour caractériser l’énergie solaire reçue par les satellites. Par contre cette constante deviendra AM1 (Le chiffre 1 indique que le rayonnement a traversé une atmosphère) lorsqu’elle atteindra perpendiculairement la terre avec pour valeur 1000 W/m² du fait de l’absorption d’une partie de cette lumière par la couche d’ozone et du fait de la diffusion dans les gaz, l’eau et les poussières. [17] La masse d’air AM 1.5 dite globale (la somme de tous les rayonnements reçus, y compris le rayonnement réfléchi par le sol et les objets qui se trouvent à sa surface) ou directe (rayonnement reçu directement du soleil) correspond au rayonnement solaire réel reçu par la terre à nos latitudes dans l’hémisphère nord avec une inclinaison de 45° par rapport à la normale. C’est en général avec ce coefficient AM 1.5 que les panneaux et installations photovoltaïques sont caractérisés et dimensionnées.