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2ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech

Par Pr. Mongi BOUAICHA

Laboratoire de PhotovoltaïqueCentre de Recherches et des Technologies de l’Energie, Technopôle de Borj-Cédria,

Tunis, Tunisie

Les matériaux de base de fabrication des cellules photovoltaïques, les nouveaux matériaux dans la conception et l’élaboration des

cellules solaires : matériaux organiques, polymères, semi-conducteurs, les cellules et modules photovoltaïques de demain

1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Population mondiale

Charbon

Pétrole

Gaz

Energie nucléaire

Energie renouvelable

Année

Présent

Population mondiale

(milliards)

Dépenses énergétiques

(GT/an)

Dépenses énergétiques et évolution de la consommation mondiales entre l’an 1750 et l’an 2100. 2

Impact du photovoltaïque sur l’économie d’un pays

Industrie photovoltaïque

Industrie du silicium

Industrie du verre

Industrie du câble

Industrie du plexiglas

Industrie métallurgique

Industrie électronique

Industrie machines complexes

Employabilité très élevée Maîtrise du savoir-faire Apport important au PIB/PNB

3

En général, un bon matériau pour la conversion photovoltaïque devrait satisfaire aux exigences suivantes :

• Avoir un gap direct entre 1.2 et 1.7 eV ;• Disponible ;• Non toxique ;• Etre plus ou moins facile à fabriquer et reproductible ;• Avoir un bon rendement de conversion photovoltaïque ; et• Avoir une durée de vie importante.

Malheureusement, un matériau qui satisfait à la fois à toutes ses exigences n’existe pas encore. Les recherches continuent et les différents scénarios les plus probables sont :

• La dominance du silicium mono/poly/multi-cristallin ; • l’émergence des technologies à base de silicium cristallin de moyenne épaisseur (quelques dizaines de µm) ; • la percée des technologies au silicium amorphe (a-Si), des CIS (Copper-Indium-diSelenide) ou des cellules CdTe, ou encore des DSSC (Cellule Solaire à Colorant ‘’Dey Sensitized Solar Cell’’) ; • de nouveaux concepts de cellules comme les cellules organiques et les cellules tandem, etc.


Les trois générations des cellules solaires

Première génération (1G)Silicium massif mono, multi et polycristallin,


Echelle du laboratoire partout dans le monde

Le Centre de Recherches et des Technologies de l’Energie (CRTEn)

Technopôle de Borj-Cédria, Tunis, Tunisie


Savoir-faire dans le domaine des cellules solaires 1G et 2G Nous avons commencé des travaux sur les cellules 3G

Au 31/12/2012, l’effectif du CRTEn se compose de plus de 300 personnes réparties comme suit :

• 09 Professeurs• 02 Maîtres de Conférences

• 25 Maîtres Assistants • 03 Assistants

• 36 Ingénieurs• 52 Techniciens

• 25 Administratifs • 150 étudiants en Doctorat et Mastère

Actuellement, cet effectif est appelé à exécuter 25 projets de recherche dans le cadre du contrat-programme 2010-2013.

Effectif du Centre de Recherches et des Technologies de l’Energie (CRTEn)


1-Conversion thermique de l’énergie solaire

2-Conversion photovoltaïque de l’énergie solaire

3-Efficacité énergétique dans l’industrie et dans le bâtiment

4-Valorisation énergétique des déchets

5-Energie éolienne

Les programmes de recherche


Ces travaux sont exécutés par trois laboratoires

Laboratoire de Photovoltaïque (LPV)

Laboratoire Thermique (LPT)

Laboratoire de Maîtrise de l’Energie Eolienne et de la Valorization Energétique des Déchets (LMEEVED)


Laboratoire de Photovoltaïque


Première Génération


Lingot

SiO2

Silicum

Plaquette

Cellule

Module

Système

Savoir-faire Du LPV

2010

La chaine de fabrication des cellules et des panneaux PV

au silicium cristallin


13

Historique de la fabrication des cellules solaires au silcium cristallin dans le LPV

• Cellules standards au silicium monocristallin• En 1990 le rendement max était de 11%• En 1993 le rendement moyen était de 12.5% avec un max de rendement de 14.3%.

• En 1995 fabrication de cellules solaires à faible coût avec un rendement amélioré à 12.5%.

• En 1999 introduction du Silicium Poreux, de la passivation et du gettering dans la technologie des cellules solaires au silicium

• En 2000, fabrication de 60 panneaux photovoltaïque (Projet ALECSO).

• En 2002, étude de la faisabilité d’une industrie photovoltaïque tunisienne. (Marché tunisien petit, il faut viser un marché plus grand).

• En 2011, application des nanofils de silicium.

Four à diffusion

14

Machine à sérigraphieFour IR à atmosphère

contrôlée


Machine (Pasan CT 801) pour caractérisation I-V sous

éclairement des cellules solaires

Quelques équipements pour la fabrication et la caractérisation des cellules solaires

Silicium Poreux (SP) sur silicium cristallin 1999-2000

15

400 500 600 700 800 900 1000 11000

10

20

30

40

50

(a)

After PS application

To

tal

refl

ecti

vit

y (

%)

Wavelength (nm)

(b)

Before PS application

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,60

5

10

15

20

25

J

(mA

/cm

2)

V (Volts)

Before PS

After PS

Effet d’une couche de SP sur la réflectivité

Effet d’une couche de SP sur la caractéristique I-V sous AM1.5

400 600 800 10000

10

20

30

40

(b)

(a)

Tot

al r

efle

ctiv

ity

(%)

Wavelength (nm)

Image par MEB montrant des textures pyramidales réalisées sur une surface

de silicium monocristallin d’orientation (100).

Effet du SP sur du Si texturisé

SP sur Si-monocristallin texturisé

Réflectivité totale

0 500 1000 15000

500

1000

1500

0,5980

0,6435

0,6891

0,7346

0,7802

0,8257

0,8712

0,9168

0,9623

1,000

A0 500 1000 1500

0

500

1000

1500

0,7940

0,8173

0,8407

0,8640

0,8873

0,9107

0,9340

0,9574

0,9807

1,000

Gettering du Si-mc par le SP : Analyse par LBIC-2D (2004)

2D-LBIC arround a grain boundary before gettering

2D-LBIC arround a grain boundary after gettering

LB

IC c

urr

en

t

LB

IC c

urr

en

t


Gettering du Si-mc par le SP : Analyse par IQE-2D

200 400 600 800 1000

200

400

600

800

1000

X µm

Y µ

m

0,4400

0,4538

0,4676

0,4814

0,4953

0,5091

0,5229

0,5367

0,5505

IQE

200 400 600 800 1000

200

400

600

800

1000

X µm

Y µ

m

0,4950

0,5269

0,5587

0,5906

0,6225

0,6544

0,6862

0,7181

0,7500

IQE

2D-IQE arround a grain boundary before gettering

2D-IQE arround a grain boundary after gettering

Passivation par Al2O3 (Pulsed Lased Deposition) sur SP (2012)

19

Image par AFM de la couche de SP

Image par AFM de la couche de Al2O3 (5 nm)

300 400 500 600 700 800 900 1000 11005

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

PS

Al2O

3/PS

Tota

l refl

ecta

nce

(%)

wavelength (nm)

Bare c-Si

Réflectivité totale

0 nm 5 nm 20 nm 80 nm

2

3

4

5

6

7

Lifetim

e (µs)

Al2O

3 thickness

Variation de la durée de vie des PMs en fonction de l’épaisseur de la couche de Al2O3

250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 25000

20

40

60

80

100

120

140

Refl

ectiv

ity (%

)

Wave Length (nm)

0min 20min 25min 30min

0 10 20 30 40 50 600,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Lifet

ime

(µs)

Res

istivi

ty (

cm)

Etching time (min)

Resistivity

Lifetime

Il faut optimiser les paramètres de fabrication des nanofils de silicium, pour un meilleur compromis entre les propriétés électriques et optiques.

Les nanofils de silicium pour le photovoltaïque

(2011)

0,015 0,016 0,017 0,018 0,019 0,0200

5

10

63,0

63,1

63,2

63,3

63,4

63,5

0

5

10

63,0

63,1

63,2

63,3

63,4

63,5

Mea

n R

eflec

tivi

ty (%

)

M

ean E

ffec

tive

Lifet

ime

(µs)

AgNO3 (M)

20 min R 20 min 25 min R 25 min 30 min R 30 min

22

Purification du SiO2 (2010)

XR micro analysis of SiO2 before purification


23

XR micro analysis of SiO2 after purification

Purification du SiO2


Deuxième Génération


26Machine pour la fabrication du silicium amorphe au laboratoire de photovoltaïque

Cellule au silicium amorphe

Le dioxyde de titane est déposée sur une partie des substrats de FTO ou de ITO par la

technique électrophorèse (EPD).

Cette technique est basée sur l’application d’une forte tension continue aux borne des

deux électrodes.

TiO2 en suspension

-

FTOAl

+

Schéma de principe de la technique EPD.

Les conditions de l’expérience : la tension appliquée

est de 90 V, la distance entre les électrodes est

maintenue à 1cm et le temps de déposition est de 30

secondes.

Cellule solaire à colorant


250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 25000

20

40

60

80

100

T,R

(%

)

Wavelenght (nm)

R T

DRX des couches minces de TiO2

Spectre de transmission de la couche mince de TiO2

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

0,0

5,0x10-11

1,0x10-10

1,5x10-10

2,0x10-10

2,5x10-10Glass/ITO/Al/electrolyte/N3/TiO

2/ITO/glass

I (A

)U (V)

Caractéristique I-V des CSC


10 20 30 40 50 60 700

300

600

900

1200

1500

b

211004

101

204105

200

211

004

101

In

tens

ity

(a.u

.)

Bragg angle 2 (°)

TiO2 powder

TiO2 thin film

Troisième Génération


Origines des pertes en rendement de conversion PVdans les cellules 1G & 2G

Energie du photon = Energie du gap

Transparence pour les photons d’énergie inférieure au gap.

Les électrons excités par des photons de haute énergie se retrouvent dans les niveaux énergétiques de la bande de conduction, mais, une partie de l’ énergie est perdue par thermalisation.

BC

Eg

BV

2

3

3

2

1

1

Pertes par thermalisation

Pertes par transparence


1. Cellules solaires à bande intermédiaire

2. Cellules solaires à gap graduel3. Cellules solaires à conversion de

spectre4. Cellules solaires à porteurs chauds5. Cellules solaires à multi-spectre

31

A partir de cette problématique l’idée d’une nouvelle génération de cellules solaires est

née: les CS-3G


Cellule solaire à porteurs chauds

SiO2

Jonction N+P

Si-mc

SiO2

a-Si :H

Si-mc

NC-Si

Substrat de Si avec 5 nm de SiO2 ; (SiH4, O2) PECVD.

Dépôt d’une couche de a-Si : H ; (SiH4, H2) PECVD

Recuit de a-Si : H à 820°C pendent 15 mn ; formation de NC-Si.

Dépôt d’une deuxième couche de SiO2 dans les mêmes conditions que la première couche.

SiO2


Technique d’élaboration : PECVD

RF = 13.56 MhzL’épaisseur de la couche SiO2 est égale à 5 nmLe débit de O2 = 5 sccmLe débit de SiH4 = 20 sccmLe temps de dépôt: 5 minutes (1nm/mn)Température de substrat= 400°C

RF = 13.56 MhzL’épaisseur de la couche a-Si:H est égale à 6 nmLe débit de H2 = 50 sccmLe débit de SiH4 = 4 sccmLe temps de dépôt: 5 minutes (1nm/mn)Température de substrat= 300°C

Evolution de la morphologie de surface et des caractéristiques I-V à l’obscurité et sous éclairement AM1.5 de la cellule de référence et celle contenant

des NCs-Si

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

I (A

)

V (Volt)

à l'obscurité

sous éclairement

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

I (A

)

V (Volt)

Sous éclairement

A l'obscurité


Si-mc après la jonction Première couche SiO2 Couche amorphe après recuit

Merci pour votre attention


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