Le photovoltaïque

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Couches minces

Avantages des couches minces :

Techniques de dépôt

Il existe plusieurs techniques de dépôt des couches minces, notamment des techniques sous vide et des réactions chimiques en phase vapeur.

Silicium amorphe

Fabricants de modules au silicium amorphe: Alti (Corée), Amelio Solar (USA), Amplesun (Chine), Auria Solar (Taiwan), Bangkok Solar (Thailand), Blue Star Terra (Chine), Baoding Tianwei Solarfilms (Chine), Bosch (Allemagne), Centennial (Canada), Chi Mei Energy (Taiwan), CN Solar (Chine), DuPont Apollo (Chine), ecoSolargy (Canada), Epod Solar (Canada), EPV (USA),Flexcell (Suisse), Formosun (Taiwan), Free Energy Europe (France), Fuji Electric (Japon), General Solar Power (Chine), Genesis Energy (Hongrie), Getwatt (Corée), Green Energy (Taiwan), Grupo Unisolar (Espagne), GS Solar (Chine), Han Fung Solar (Taiwan), Heliodomi (Grèce), HHV (Inde), Jiasheng Solar (Chine), JN Solar (Chine), Jumao Photonics (Chine), Kaneka (Japon), Kenmos (Taiwan), Malibu (Allemagne), Masdar PV (Allemagne), Mitsubishi (Japon), Moncada (Italie), NexPower (Taiwan), Nuon Helianthos (Pays-Bas), Onyx (Espagne/Chine), Pfixx (Pays-Bas), Polar PV (Chine), PowerFilm (USA), Pramac (Swiss), QS Solar (Chine), Rixin (Chine), Schott (Allemagne), Sencera (USA), Signet (Allemagne), Sinonar (Taiwan), Solar Plus (Portugal), Solarpro (Bulgarie), Solartech Energy (Taiwan), Solems (France), ST Solar (Chine), Sungen (Chine), Sunner Solar (Taiwan), Suntech (Chine), Sun Well Solar (Taiwan), Suoyang (Chine), Tianjin Jinneng (Chine), Titan Solar (Inde), Topray (Chine), Trony (Chine), Uni-Solar (USA), Xunlight (USA),...

Cellule Uni-Solar

Le silicium amorphe a une structure atomique désordonnée, c.a.d. non cristallisée. Cependant, il possède un coefficient d'absorbtion de la lumière environ 1000 fois supérieur au silicium cristallin. Une fine couche de 3 micromètres (0,0003 mm) est donc suffisante pour absorber l'essentiel des rayonnements solaires.

Le silicium amorphe est fabriqué à partir de silane (SiH4). Les réactifs sont injectés à l’état gazeux dans une enceinte sous-vide et déposés par plasma sur une surface de verre ou de métal. Le silicium et l’hydrogène sont libérés et reforment un matériau solide qui sera dopé par d’autres éléments introduits sous forme gazeuse pour créer des couches p et n. Des couches d'oxyde conductrices et transparentes sont ajoutées, afin de permettre la transmission du courant. La mise en série est réalisée par un découpage au laser des différentes couches, permettant de mettre en contact l'électrode (-) d'une photopile avec l'électrode (+) de la suivante. De nombreuses petites cellules connectées en rangées offrent des courants plus faibles et des tensions plus élevées. Ces dernières minimisent les pertes de puissances dans les parcours de câbles.

Les cellules produites ont des rendements de 5 à 7 % (simple jonction). Elles sont couramment utilisées pour des applications de faible densité de puissance (montres, calculatrices, etc).

Fabricants d'équipement de production pour modules en silicium amorphe et micromorphe:

Des lignes de production "clés en main" sont fournies par Anwell (Chine), Applied Materials (USA), Centrotherm (Allemagne), Energosolar (Hongrie), Oerlikon (Suisse), Ulvac (Japon),...

Cellules micromorphes


Fabricants de cellules micromorphes: Astronergy-Chint (Chine), Best Solar (Chine), Beyond PV (Taïwan), Bosch Solar (Allemagne), ENN Solar (Chine), Gadir (Espagne), HelioSphera (Grèce), Inventux (Allemagne), Kaneka (Japon), Masdar PV (Allemagne), Mitsubishi (Japon), Moser Baer (Inde), NexPower (Taiwan), Sharp (Japon), Sunfilm (Allemagne), T-Solar (Espagne),...

Cellule Inventux

Les cellules sont composées d'une couche de silicium microcristallin et d'une couche de silicium amorphe, deux matériaux qui absorbent la lumière dans des plages différentes du spectre, d'où une meilleure exploitation de l'énergie solaire. Les cellules atteignent un rendement d'environ 8 %.

Des lignes de production "clés en main" sont fournies par Applied Materials (USA), Oerlikon (Suisse),...

Cadmium-tellurid

Il existe quelques fabricants de cellules en Cadmium-tellurid: Abound (USA), Arendi (Italie), Calyxo (Allemagne), Canrom (Canada), First Solar (USA), PrimeStar Solar (USA), Second Solar Century (Allemagne), Sunovia (USA), Willard & Kelsey Solar (USA),...

Le tellure

Ce semi-conducteur est caractérisé par une forte absorption de la quasi-totalité du spectre visible. Il est en générale déposé sur du sulfure de cadmium (CdS) de type n. Ce procédé permet d'atteindre les côuts de production les plus faibles. Ce qui risque de freiner le développement de ces techniques, c'est la toxité du cadmium. C'est avant tout un problème d'image, car le risque est surtout lié à la manipulation en usine et peut être maitrisé.

First Solar

Abound Solar (face arrière)

CIS (Cuivre, Indium, Selenid) ou CIGS (Cuivre, Indium, Gallium, Selenid)

Fabricants de cellules CIS ou CIGS: Applied Quantum Technology - AQT (USA), Ascent Solar (USA), Avancis (Allemagne, coopération de Shell et Saint-Gobain), Bosch Solar (Allemagne), CIS Solartechnik (Allemagne), DayStar (USA), Flisom (Suisse), Global Solar (USA), Heliovolt (USA), Honda Soltec (Japon), ISET (USA), Jenn Feng (Taiwan), Johanna Solar (Allemagne), Me2Solar (Inde), Miasolé (USA), Nanosolar (USA), Odersun (Allemagne), PVflex (Allemagne), Ritek (Taiwan), Scheuten (NL), Shurjo (Inde), Solibro Q-Cells (Allemagne), Showa Shell (Japon), Shurjo (Inde), Solar Frontier (Japon), Solarion (Allemagne), Solo Power (USA), Solyndra (USA), Stellaris (USA), Stion (USA), Sulfurcell (Allemagne), Sunvim (Chine), Titan Solar (Inde), TSMC (Taïwan), Würth Solar (Allemagne), XsunX (Taïwan), Yohkon Energía (Espagne)...

	Indium
	Gallium

Les cellules CI(G)S sont constituées d’un empilement d’une couche métallique de molybdène, de 0,5 micron d’épaisseur, déposée sur du verre. Elle sert de contact arrière. Puis est déposée une couche CIGS de type p, d’environ 1,5 micron, qui absorbe la lumière. Suit une mince couche de CdS (Cadmiuimsulfid) d’environ 50 nm, Pour des raison écologiques et pour augmenter le rendement on essaie de remplacer de plus en plus cette couche de CdS par une couche de ZnS.
Et enfin une couche de ZnO (oxyde de zinc) de type n, d’environ 1 micron d’épaisseur, servant aussi de contact avant conducteur et transparent. L'oxyde de zinc est parmi les oxydes transparents et conducteurs les plus prometteurs dans le domaine du photovoltaïque. En effet, il joue le rôle de fenêtre optique permettant de capter plus de photons.
La cellule est complétée par le dépôt d'une grille de contact en alluminium. Les cellules CI(G)S permettent d'atteindre des rendements théoriques jusqu'à 25 %. En production industrielle on arrive à des rendements d'environ 11 %. Les modules au

CIGS présentent un potentiel d'économies considerable. Néanmoins, les approvisionnements en indium et sélénium sont limités à long terme.

Würth

Solibro

CIS sur substrat flexible

Global Solar

Fabricant de systèmes de dépôt de couche conductrice (TCO)

Fabricants d'équipement de "wet etching"

Fabricants de lasers

Un module en couches minces produirait environ 150 W/m² sous une tension de 0,8 V, si les couches étaient uniformes. Le courant serait alors énorme ce qui rendrait difficile son utilisation. Le procédé consiste à découper des bandes d’environ 1 cm de large et d’en faire autant de cellules individuelles qui sont reliés en série. Il convient alors de graver chaque couche après son dépôt, pour l’isoler de la bande adjacente ou, au contraire, créer un contact. En fonction de la nature de la couche active, on utilise des lasers nanoseconde ou picoseconde.

Dans le cas de CIGS, la première couche est métallique (molybdène), et des impulsions de 10 ns avec une longuer d’onde de 1 µm conviennent parfaitement. La couche active peut aussi être en silicium amorphe, et les lasers nanoseconde verts (510, 532 nm) sont utilisés (meilleure absorption). Le CIGS devient métallique dès qu’on le chauffe. Il faut alors se tourner vers des lasers picoseconde verts et UV. La dernière gravure consiste à isoler  les bandes, en enlevant à la fois la couche active et l’électrode supérieure ; elle s’effectue avec des lasers verts nanoseconde ou picoseconde.

Sur un panneau, ces gravures représentent plus de 350 m linéaires d’usinage, avec une largeur typique de 50 µm, et une tendance à la réduction de la dimension du trait pour limiter la zone morte du panneau.

Cellules organiques

Fabricant de cellules organiques: 3GSolar (Israel), Aisin Seiki (Japon), Dyesol (Australie), ERG Renew (Italie), Fujikura (Japon), G24 Innovations (Angleterre), Konarka (USA), Nesli (Turkie), Peccell (Japon), Plextronics (USA), Solarmer Energy (USA), Solaronix (Suisse),...

Dyesol

Konarka

C’est au début des années 90 qu’ont été présentées par le scientifique suisse Michael Grätzel des cellules constituées d’une matrice poreuse inorganique rendue fonctionnelle par le greffage de colorants photoactifs à l’échelle de la monocouche moléculaire et imprégnée par un électrolyte liquide contenant un couple oxydoréducteur. Ce dernier permet de communiquer « électriquement » avec la molécule de colorant. C’atait le premier pas vers le photovoltaïque moléculaire, plus proche de la photosynthèse que de la jonction p-n classique.
Dans ce dispositif, la molécule de colorant est dotée de deux niveaux énergétiques nommées HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) et LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital), dont la distance correspond au «gap« des semi-conducteurs. L’absorption d’un photon s’effectue par excitation d’un électron du niveau HOMO ver niveau LUMO, avec la formation d’une petite paire électron trou. L’électron est ensuite transféré dans la matrice inorganique, tandis que le trou est neutralisé par le réducteur en solution. Ces charges diffusent ensuite dans leurs phases respectives vers les contacts et le circuit extérieur. Grâce à la surface importante d’une matrice poreuse, on multiplie les phénomènes d’absorption et on convertit efficacement le rayonnement incident.
Le système de référence est une couche d’oxyde de titane frittée, une molécule de colorant à base de ruthénium et un électrolyte non aqeux (acétonitrile) contenant le couple iode-iodure. Il atteint environ 11% de rendement. Les travaux en cours concernent surtout le remplacement du colorant par un composé tout organique et celui d’un électrolyte liquide par une phase solide.

L’autre volet des filières émergentes est celui des cellules tout organiques. Les polymères ont des propriétés semi-conductrices permettant de créer des jonctions analogues aux jonctions p-n. La séparation des paires électrons-trou est néanmoins beaucoup plus difficile, car celles-ci restent associées sous la forme d’excitons. Cependant, l’idée de mélanger intimement les deux phases, de la même façon que pour les cellules à colorants, conduisit à l’amélioration notable des performances (cellules organiques à jonctions interpénétrées).
Dans ces conditions les phases n et p, nommées donneur et accepteur dans le cas des polymères, forment deux réseaux séparés et imbriqués, où tout exciton créé pour être dissocié à leur interface en n’ayant a parcourir que quelques nanomètres. Dans le système de base, le donneur est constitué par des molécules de fullèrene (et de plus en plus de nanotube de carbone) fonctionnalisées et l’accepteur est un polymère dérivé du polythiophène. Les rendement sont aujourd’hui de près de 7%, mais les dispositifs souffrent encore d’un manque de stabilité dans le temps.
L’intérêt des matériaux organiques est leur abondance, qui pourrait conduire à une réduction importante des coûts. 

Panneaux solaires à concentration

Fabricants: Aavid Thermalloy (USA), Abengoa (Espagne), Absolicon (Suède), AEST (Italie), Amonix (USA), Arima Eco Energy (Taïwan), Beghelli (Italie), Circadian Solar (Angleterre), CompSolar (Taïwan), Concentración Solar la Mancha (Espagne), Concentrix Solar (Allemagne), Cool Erth Solar (USA), CPower (Italie), Daido (Japon), Day4Energy (Canada), Delta Electronics (Taïwan), Emcore (USA), Enea (Italie), Energy Innovations (USA), Enfocus ( ), Entech (USA), Green and Gold Energy (Australie), GreenVolts (USA), Guascor Foton (Italie), Heliotrop (France), Isofoton (Espagne), JX Crystals (USA), Menova Energy (Canada), Morgan Solar (Canada), NuEdison ( ), Opel (USA), Pacific Solartech (USA), Prism Solar Technology (USA), Pyron Solar (USA), Shap (Italie), Sharp (Japon), Silicon CPV (Grande-Bretagne), Sol3g (Espagne), Solaria (USA), Solar Systels Pty (Australie), Solartec (Allemagne), Solfocus (USA), Stellaris (USA), Sunrgi (USA), Taihan ( ), Telicom ( ), Whitfield (Grande-Bretagne), WS Energia (Portugal), Zytech Solar (Espagne)

Institut Frauenhofer Fribourg

Solfocus

En plaçant une lentille au-dessus d'une cellule photovoltaïque, il est possible de concentrer la lumière du soleil plusieurs centaine de fois. Ainsi, pour une concentration dite de "100 soleils", on obtient, avec 1 cm2 de cellule sous concentrateur, le même résultat qu'avec 100 cm2 de ces mêmes cellules sous un éclairage naturel. Plusieurs technologies de lentilles et de prismes se concurrencent pour obtenir ce résultat, mais il s'agit en générale d'une lentille de Fresnel en plastique (légère et peu coûteuse), parfois accompagnée d'une structure prismatique accolée à la cellule. Pour fonctionner correctement la cellule doit toujours être perpendiculaire au soleil.

Aspects écologiques de la production de modules en couches minces