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8/20/2019 1688 Cellules Photovoltaiques Coeur Panneaux Solaires

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Dossier > Les cellules photovoltaïques, cœur des panneaux solaires Futura-Sciences

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sciences.com/magazines/environnement/infos/dossiers/d/developpement-durable-cellules-

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Les cellules photovoltaïques, cœur des panneaux solaires

De nombreuses cellules photovoltaïques ont vu le jour pour exploiter au mieux la lumière du Soleil autravers de panneaux solaires. Afin de produire de l’électricité, silicium, terres rares ou plastiques sontemployés, mais chaque technologie a des atouts et des faiblesses dans ce domaine prometteur.

Page 1/18 - Les cellules photovoltaïques, cœur des panneaux solaires

Le Soleil fournit chaque année suffisamment d’énergie pour répondre plus de 7.500 fois aux besoins de la

population mondiale. Progressivement, de nouvelles installations solaires voient le jour en France pourtirer profit de cette ressource. La production d’électricité est assurée par des structures parfois épaissesde quelques micromètres seulement : les cellules photovoltaïques, coeur des panneaux solaires.

La société actuelle veut faire la part belle aux énergies renouvelables, c’est-à-dire dont la ressource ne diminuepas à l’échelle d’une vie humaine. Deux exemples sont le vent ou la lumière solaire. Ces dernières années, la lumièrede l’astre du jour est particulièrement prisée par de nombreux particuliers et industriels, qui hésitent de moins enmoins à installer des panneaux solaires sur leurs toits. Pour preuve, le parc photovoltaïque raccordé au réseaud’ERDF en France métropolitaine affichait en 2005 une puissance cumulée de 5 mégawatts (MW). Elle estmaintenant supérieure à 3.339 MW (chiffre à fin juin 2013).

L’énergie solaire est exploitée par l’Homme pour produire de l’électricité à l’aide de cellules photovoltaïques,coeur des panneaux solaires, mais elle est également à l’origine du cycle de l’eau, des vents ou encore de la

photosynthèse pratiquée par les végétaux. © Claudio Vaccaro, Flickr, cc by nc nd 2.0

Pour mieux aborder ce sujet, Futura-Sciences était présent aux Journées nationales du photovoltaïque (JNPV) qui

se sont tenues à Chantilly en décembre 2012. Nous nous sommes alors rendu compte à quel point la recherche, ici

30/09/2013 - ParQuentin Mauguit, Futura-Sciences


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française, est active dans ce domaine qui est toujours en constante évolution. Il serait trop long d’aborder endétail toutes les recherches et améliorations. Les présentations technologiques qui vont suivre gardent donc unecertaine hauteur par rapport à ces avancées.

Jean-Luc Wingert, ingénieur conseil énergie et environnement, nous parles des enjeux de l'énergie solaire ©Futura-Sciences

À travers ce dossier, Futura-Sciences a souhaité, après avoir rappelé la place de l’énergie solaire dans le monde etson histoire, décortiquer les panneaux solaires pour en découvrir le cœur : la cellule photovoltaïque. Son principede fonctionnement sera tout d’abord décrit en détail, puis les principales technologies seront passées en revue(silicium cristallin ou amorphe, CdTe, CIGS, CZTS, etc.). Leurs avantages ou inconvénients, mais aussi leursprocédés de fabrication et leurs performances actuelles n’auront bientôt plus aucun secret pour vous. Parce quenotre époque l’impose, il sera également question de leur impact sur l’environnement et de leur recyclage. Bonnelecture.

Page 2/18 - Le Soleil, une ressource inépuisable

De nombreux pays souhaitent réduire leurs émissions de gaz à effet de serre. Pour ce faire, ils ont décidéde développer diverses filières exploitant des énergies renouvelables. L’une d’entre elles profite d'uneressource particulièrement abondante et inépuisable : la lumière solaire.

Le réchauffement climatique actuel pousse de nombreux pays à rechercher de nouvelles sources d’énergie moinspolluantes. L’éolien a ainsi le vent en poupe depuis quelques années, comme la filière du photovoltaïque. En effet,le Soleil est une source intarissable d’énergie. Une fraction de celle-ci nous parvient à chaque instant sous la formede lumière. Notre planète reçoit en un peu plus d’une heure autant d’énergie que la consommation annuelle de lapopulation mondiale.

Cette information mérite d’être déclinée en quelques chiffres. La densité du flux d’énergie arrivant au niveau de

notre atmosphère équivaut à 1.367 W/m2. Il s’agit précisément de la constante solaire, qui caractérise la quantité

d’énergie solaire que recevrait une surface d'un mètre carré placée perpendiculairement aux rayons du Soleil au-


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dessus de notre atmosphère, soit à 150 millions de kilomètres de notre étoile. Ainsi, la Terre serait soumise à

chaque instant à une irradiation de 174 pétawatts (1015 W). Ne l’oublions pas, nous sommes toujours au-dessusde l’atmosphère.

Irradiation solaire moyenne de l’Europe entre avril 2004 et mars 2010. Les valeurs (voir l’échellecolorimétrique) sont exprimées en kWh/m2. Plus les teintes sont rouges, plus il est intéressant d’installer des

panneaux photovoltaïques. © SolarGIS, GeoModel Solar, 2011

Les nuages, océans et continents de la planète n’absorbent pas l’intégralité de l’énergie qui nous est transmise. À

elle seule, l’atmosphère en réfléchirait environ 30 %. La Terre capte donc annuellement l’équivalent de l’énergiefournie par 92.000 milliards de tonnes de pétrole (Gtep, milliard de tonnes d’équivalent pétrole). Par comparaison, laconsommation énergétique mondiale annuelle vient de franchir le cap des 12 Gtep en 2011. Ainsi, le Soleil nousfournit chaque année de quoi subvenir environ 6.300 fois aux besoins énergétiques de la planète pour une mêmepériode, en tenant compte du fait que les rendements de conversion ne peuvent théoriquement pas êtresupérieurs à 82 % (ils sont actuellement bien en deçà). Évidemment, il n’est pas envisageable d’exploiter cetteressource dans son intégralité, notamment parce qu’il est impossible de recouvrir totalement les océans et lesterres cultivées avec des panneaux solaires.

Page 3/18 - Le photovoltaïque dans le monde, en Europe et en France

La filière du photovoltaïque est en pleine croissance depuis quelques années, ce qui s’est traduit parl’installation de dizaines de millions de panneaux solaires un peu partout dans le monde. Dans cecontexte, l’Europe reste cependant le leader du marché mondial de l’énergie solaire, notamment grâceaux performances affichées par l’Allemagne, la France et l’Italie.

Contrairement à leurs homologues fossiles, les énergies renouvelables ne libèrent pas de gaz à effet de serre dansl’atmosphère au cours de leur exploitation. De nombreux pays ont donc décidé de les promouvoir afin de changerprogressivement la composition de leur mix énergétique, et donc de réduire leur impact sur le climat. Cesdémarches s’inscrivent principalement dans le cadre de la lutte contre le réchauffement climatique.

L’année 2011 a été particulièrement faste pour le photovoltaïque, puisque le marché mondial a enregistré uneprogression de 70 % selon l’ European Photovoltaic Industry Association (Epia). En un an, la puissance cumuléetotale du parc solaire mondial est passée de 40,7 gigawatts (GW) à 71,1 GW. De quoi devenir la troisième plus


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grande source d’énergie renouvelable au monde (en matière de capacité installée) derrière l’hydraulique (715 GWen 2004) et l’éolien (193 GW en 2010). En 2012, le seuil symbolique des 100 GW de puissance cumulée totale a étédépassé (102 GW). Concrètement, ce potentiel couvre les besoins en énergie de 30 millions d’Européens.

Certaines nouvelles centrales photovoltaïques possèdent plusieurs dizaines ou centaines de milliers depanneaux solaires. On en compte 11.520 dans le parc de Flachslanden-Neustetten, en Allemagne (ci-dessus).La centrale française de Toul-Rosières en possède 1,4 million. © Mark Mühlhaus, Windwärts Energie GmbH,

cc by nc nd 2.0

Fait notable, le développement du photovoltaïque en Europe explique à lui seul respectivement 75 % et 55 % desnouvelles capacités apparues en 2011 (sur un total de 22,4 GW) et en 2012 (sur un total de 17,2 GW). Cecontinent reste donc le leader dans ce domaine, grâce notamment aux efforts réalisés par l’Allemagne (+7,6 GW en2012, chiffre stable depuis trois ans) et l’Italie (+3,4 GW en 2012, contre +9,3 GW en 2011). L’Allemagne maintientsa position dominante sur le marché mondial en termes de puissance installée cumulée sur son territoire (32,4 GWfin 2012). Deux pays non européens ont également affiché une forte progression en 2012 : la Chine (+5 GW) et lesÉtats-Unis (+3,3 GW).

Le photovoltaïque en France

Après des débuts relativement difficiles voici quelques années, le marché photovoltaïque français s’estprogressivement développé. Il est maintenant le troisième plus important d’Europe, derrière l’Allemagne et l’Italie.Fin 2011, après avoir acquis 1,7 GW de plus, notre pays affichait une puissance cumulée d’environ 2,6 GW (Dom-Tom inclus, chiffres d’ERDF). La situation a encore évolué depuis, puisque le cap des 3 GW a été franchi entre

janvier et mars 2012 : 3,126 GW étaient recensés fin décembre 2012, ce qui trahit une baisse conséquente dunombre de nouveaux raccordements réalisés cette année-là.

D’autres faits nationaux notables ont marqué l’actualité 2012 dans ce domaine. Plusieurs centrales solairesphotovoltaïques sont désormais en cours d’exploitation après plusieurs années de construction. La centrale deCrucey-Villages (Eure-et-Loir) a notamment été inaugurée en septembre 2012. Elle se compose de 741.150panneaux photovoltaïques répartis sur 250 ha (puissance de 68 MW), ce qui correspond environ à la moitié dunombre de modules recensés à Toul-Rosières (1,4 million ; puissance de 115 MW). Ce site de 400 ha, le plus granddu genre en France et le troisième dans le monde (au début de l’année 2013), a été raccordé au réseau électriquenational en novembre 2012.

Ces deux installations disposent des mêmes technologies, puisqu’elles ont chacune reçu des panneaux composés

de cellules photovoltaïques dites à couches minces au CdTe (tellurure de cadmium). Elles ne renferment donc pas


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de silicium.

Page 4/18 - Histoire condensée du photovoltaïque

Le photovoltaïque fait parler de lui depuis seulement quelques années, même s'il a connu un premier

essor dans l'industrie spatiale au milieu du XXe siècle. Les prémices de son histoire remontent pourtant à1839. Elles ont été écrites par la famille Becquerel.

L’Homme essaye depuis de nombreuses décennies d’exploiter l’inépuisable ressource qu’est l’énergie du Soleil. Lapremière cellule solaire a ainsi vu le jour dans les années 1950, mais sa technologie reposait en réalité sur unedécouverte faite en 1839 par deux Français, Antoine César Becquerel et son fils Alexandre Edmond Becquerel.C’est donc au grand-père et au père d’Antoine Henri Becquerel (qui décrivit la radioactivité en 1896) que nousdevons la découverte de l’effet photovoltaïque. Ce phénomène physique est propre aux matériaux semi-conducteurs, comme le silicium et le sélénium. Qu’ont-ils de particulier ? Ils libèrent des électrons en présence delumière, précisément lorsque des photons entrent en collision avec leurs atomes, ce qui peut donner naissance à

un courant électrique.

Pour être précis, l’effet photovoltaïque a été découvert par Antoine Henri Becquerel, mais c’est AlexandreEdmond Becquerel (à l'image) qui l’a présenté à l’Académie des sciences fin 1939. © Lithographie de Pierre

Petit (1832-1885), imprimée par Charles Jérémie Fuhr, Wikimedia Commons, DP

Ce n’est cependant qu’en 1883 que cette découverte a pour la première fois été utilisée pour produire une cellulephotovoltaïque, l’unité de base d'un panneau solaire. Cette prouesse a été réalisée par l’Américain Charles Fritts,qui est parvenu à recouvrir une galette de sélénium par de très fines couches d’or. Le projet a été arrêté à cestade, car l’or et le sélénium sont des matériaux coûteux. Par ailleurs, le rendement de la cellule était faible, del’ordre de 1 %.

D’autres avancées ont eu lieu par la suite, mais elles n’ont pas connu le succès de celle présentée en 1954 parGerald Pearson, Darryl Chapin et Calvin Fuller. Ces chercheurs américains travaillant pour les laboratoires Bell sontparvenus à développer un panneau solaire affichant un rendement de 6 %. Ses cellules étaient entre autres

composées de silicium « dopé », dont l’intérêt a été découvert en 1939 par Russell Ohl. Cette invention autorisa le


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développement de plusieurs applications.

L'essor du photovoltaïque

La filière photovoltaïque a finalement pris son envol grâce à la recherche spatiale et aux explorations menées pour

améliorer l’approvisionnement en énergie des satellites. Les premières cellules ont été envoyées dans l’espace en1958, fixées à l’extérieur du satellite Vanguard 1. Elles affichaient un rendement de 9 %, étaient composées desilicium et ont alimenté l’un des deux émetteurs radioélectriques embarqués à bord durant huit ans. Quant auxpremiers panneaux solaires, ils ont été lancés dans l’espace en 1959. Ils étaient attachés sur le satellite Explorer 6.

Le satellite Vanguard 1 était équipé de six cellules photovoltaïques (visibles sur la sphère) qui ont fonctionnédurant huit ans (jusqu’en 1967). L’engin pesait 1,47 kg pour un diamètre de 16,5 cm (sans tenir compte des

six antennes). © Nasa, Wikimedia Commons, DP

L’usage des cellules photovoltaïques et des panneaux solaires qui leur sont associés s’est démocratisé à partir desannées 1970 grâce à une diminution progressive de leur coût, ce qui a permis le développement d’installationsdomestiques. Pour ne citer qu’un chiffre, la production d'électricité à partir de l’énergie solaire a progressé de 15 %par an entre 1984 et 1996. Cette valeur a depuis fortement augmenté…

Page 5/18 - Anatomie d’une cellule photovoltaïque

S’il est de plus en plus fréquent d’observer des panneaux solaires installés sur des toits, leur anatomieinterne reste bien souvent méconnue, comme leur principe de fonctionnement. Le cœur d’une installationsolaire n’est autre qu’un ensemble de cellules photovoltaïques composées de matériaux semi-conducteurs. Découvrons en détail ce qui se passe lorsqu’un photon y pénètre, percute un atome desilicium et excite un électron.

Les habitations françaises abritant des installations photovoltaïques possèdent en moyenne 10 à 20 panneauxsolaires sur leur toit. En réalité, chaque panneau est composé d’une quarantaine de composants électroniques,ceux-là mêmes qui produisent l’électricité lorsqu’ils sont exposés à la lumière : les cellules photovoltaïques.

Elles doivent, pour être fonctionnelles, pouvoir réaliser trois types d’opération :


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absorber la lumière et produire en retour des paires électrons-trous ;faire migrer les charges créées vers deux extrémités différentes ;et enfin, les évacuer grâce à des circuits externes.

Analysons ces différentes étapes plus en détail.

Séparation des charges en présence de lumière

Les matériaux semi-conducteurs constituent le cœur des cellules photovoltaïques. Leurs atomes possèdent desélectrons présentant des niveaux d’énergie discrets bien définis (selon la théorie des bandes). Ils sont alors surleur bande de valence. Cependant, l’arrivée de photons peut changer la donne.

Lors de collisions avec les atomes, les photons peuvent transférer leur énergie aux électrons, au point de lesexciter et ainsi de les forcer à quitter leur bande de valence pour rejoindre la bande de conduction (ce qui estpossible grâce à la faible épaisseur de la bande interdite). Ils peuvent alors se déplacer dans la matière, tout enlaissant un « trou » derrière eux. Pour rappel, les électrons sont chargés négativement. Les trous ont donc unecharge positive.

Cette première étape est importante, mais elle ne suffit pas pour générer le courant souhaité. Il faut parvenir àséparer les trous des électrons pour éviter leur recombinaison.

La jonction p-n, clé du succès des cellules photovoltaïques

La meilleure solution pour séparer les charges consiste à utiliser un champ électrique qui doit, pour bien faire,apparaître spontanément durant la fabrication des cellules. C’est pourquoi le fonctionnement même des cellulesphotovoltaïques repose sur l’utilisation de jonctions p-n.

En interagissant avec les atomes du semi-conducteur, les photons provoquent la formation d’une paireélectron-trou. Les charges sont séparées grâce à la jonction p-n qui se crée lorsque l’on met en contact deux

couches de semi-conducteurs dopés différemment. © CEA

Les cellules photovoltaïques au silicium cristallin, les plus vendues dans le monde, se composent en réalité d’unsemi-conducteur dont les parties supérieures et inférieures sont dopées différemment. Elles se distinguent par le

nombre de charges négatives qu’elles possèdent. La première est dite « dopée de type n » (pour négatif), car elle


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renferme un surplus d’électrons par rapport au matériau non dopé, tout en restant neutre électriquement. Laseconde est quant à elle « dopée de type p » (pour positif), car elle affiche un déficit en électrons.

Lorsque les deux couches sont mises en contact, les électrons en excès de la partie n diffusent spontanémentvers la région déficitaire. Les couches n et p deviennent alors respectivement positive et négative. Il se crée donc

un champ électrique qui tend à repousser les électrons excités par les photons vers la couche n, et les trous versla couche p, où des collecteurs se chargent de les récolter. On peut ainsi mesurer une différence de potentielentre les deux structures. Si la cellule est illuminée et que l’on ferme le circuit en raccordant ses deux bornes à unréseau électrique ou sur un appareil, un courant électrique est fourni par la cellule.

Le dopage des semi-conducteurs

L’efficacité du système repose donc sur la facilité avec laquelle le semi-conducteur peut donner des électrons,ainsi que sur le dopage des différentes couches qui améliore la conductivité des charges. Concrètement, en quoiconsiste ce dopage ?

Les atomes de silicium (Si) possèdent quatre électrons de valence. Cet élément est donc classé dans la colonneIVA du tableau de Mendeleïev. Tous ces électrons de valence établissent des relations avec les atomes voisins ausein du matériau. Il n’y a donc pas d’électron à donner pour la réalisation de la jonction p-n.

Pour résoudre ce problème, des chercheurs ont eu l’idée de remplacer des atomes de Si par des atomes possédantcinq électrons périphériques, comme les atomes de phosphore, d’arsenic ou d’antimoine (colonne VA du tableau deMendeleïev). Quatre d’entre eux se lient aux atomes de silicium voisins, tandis que l’agitation thermique suffit pourfaire monter le cinquième électron sur sa bande de conduction, d’où il peut alors répondre à l'existence de la jonct ion p-n.

Organisation atomique d’un semi-conducteur, ici du silicium (Si) dopé n. Un atome de Si a été remplacé parun atome de phosphore (en rouge). L’un des électrons du phosphore (e-) ne peut pas établir de liaison avec

un atome voisin. Il peut donc facilement se déplacer. © Guillom, Wikimedia Commons, cc by sa 3.0

Le dopage de la couche p fonctionne selon le même principe, si ce n’est qu'un atome de silicium est remplacé parun atome possédant trois élec trons de valence, comme l’atome de bore (colonne III dans le tableau deMendeleïev). Des trous apparaissent donc spontanément dans le semi-conducteur dopé p, puisque le nouvelarrivant ne se lie qu’à trois atomes de Si, et non quatre. Cette couche possède donc des sites de liaison quirestent vacants jusqu’à l’arrivée des charges négatives de la couche n.


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Organisation atomique d’un semi-conducteur, ici du silicium dopé p. Un atome de bore, qui ne possède quetrois électrons, a remplacé un atome de silicium. L’un des électrons de l’atome de silicium situé à droite du

bore (en vert) ne peut donc pas établir de liaison. © Guillom, Wikimedia Commons, cc by sa 3.0

Tous ces concepts vont dorénavant servir de fil rouge à ce dossier. En effet, quelles que soient les cellules

décrites, elles possèdent toutes des matériaux dopés établissant des jonctions p-n. Avant de plonger dansl’anatomie d’une cellule au silicium cristallin, découvrons comment ses principaux constituants sont fabriqués.

Page 6/18 - Le silicium, star du photovoltaïque

En 2011, 87 % des installations photovoltaïques installées dans le monde comportaient du silicium monoou multi cristallin. Bien qu’étant l’élément chimique le plus abondant sur Terre après l’oxygène, le siliciumne peut être trouvé à l’état pur. Il doit donc être extrait de la silice, purifié, mis en forme puis dopé avantd'être utilisé. Toutes ces opérations ont un important coût énergétique.

De nombreuses cellules photovoltaïques différentes existent de nos jours. Elles sont classées en trois générations.

La première d’entre elles renferme les structures composées de silicium monocristallin ou multicristallin, qui se

différencient donc par le procédé industriel employé pour fabriquer les galettes. La 2e génération rassemble lescellules dites à couches minces et les cellules organiques. Toutes les autres technologies (cellule de Grätzel,

cellule à boîtes quantiques, etc .) appartiennent à la 3e génération.

Les cellules au silicium cristallin équipaient à elles seules 87 % des systèmes photovoltaïques installés dans lemonde en 2011. Perçons le secret de leur fabrication.

Le silicium, l’élément le plus abondant sur Terre après l’oxygène

La croûte terrestre se compose à 25,7 % de silicium (Si). Cependant, cet élément, le plus abondant sur Terreaprès l’oxygène, n’est pas directement exploitable puisqu’il n’est pas présent à l’état pur. Il doit donc être extrait

de différents minéraux, comme la silice (ou dioxyde de silicium SiO2), avant d’être exploité.


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La silice correspond à la forme naturelle du SiO2. Ce minéral dur peut être trouvé dans des rochessédimentaires détritiques (comme le sable ou le grès), mais aussi dans des roches magmatiques ou

métamorphiques. © Aschevogel, Flickr, cc by nc nd 2.0

Pour ce faire, il faut chauffer la matière première dans de puissants fours à arcs (jusqu’à 35 MW) afin d’atteindredes températures supérieures à 3.000 °C. Dans un premier temps, les blocs ou grains de silice sont placés dansune cuve en présence de matériaux réducteurs, tel du coke. Les arcs électriques sont ensuite générés entre desélectrodes de graphite. Ils vont provoquer la montée en température, faire fondre la silice (dès 1.650 °C), puisfaciliter la recombinaison de ses atomes d’oxygène avec le carbone du matériau réducteur. Il s’en suit alors undégagement de monoxyde de carbone (CO) et de dioxyde de carbone (CO2) tandis que du silicium s’écoule hors du

four par des orifices adaptés. Cette matière renfermant encore de nombreuses impuretés est à ce stade qualifiéede métallurgique.

Le silicium ne devient pur à 99,9999 % qu’après avoir subi différents traitements physiques et chimiquescomplémentaires. Il est alors suffisamment pur pour être utilisé dans l’industrie photovoltaïque. C'est en adaptantl'étape suivante, la recristallisation, que le silicium va devenir soit monocristallin, soit multicristallin.

La fabrication des lingots de silicium

Le silicium multicristallin est facile à obtenir. Il suffit de placer la matière en fusion dans un creuset en graphite,puis de la refroidir par le bas durant plusieurs dizaines d’heures. La solidification se fait donc de bas en haut, touten causant l’apparition de plusieurs cristaux à gros grains dans la colonne. Le lingot obtenu peut ensuite être

découpé en briques de dimensions définies.


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Le silicium monocristallin se présente sous la forme d’un cylindre composé d’un seul et unique cristal (àgauche). Cette structure subit, après sa fabrication, un équarrissage afin que les galettes produites par la

suite aient une forme carrée (leurs coins sont cependant arrondis). Le silicium multicristallin est quant à luidirectement refroidi dans une lingotière rectangulaire mais, comme son nom l’indique, il est fait d’un grand

nombre de cristaux (ils correspondent aux taches visibles sur le lingot de droite). © DR

La fabrication du silicium monocristallin nécessite plus d’opérations (procédé de Czochralski). La matière premièreen fusion est coulée dans un creuset en quartz où elle est maintenue à l’état liquide, mais à la limite de la

solidification, par chauffage. L’atmosphère est alors neutralisée grâce à l’injection d’argon, afin d’éviter toutproblème d’oxydation. Par la suite, un germe monocristallin présentant une orientation cristallographique connueest mis en contact avec le liquide, puis progressivement tiré vers le haut (vitesse de 1 mm/sec) et mis en rotation(30 tours/min). Du silicium liquide est alors entraîné à sa suite. Il va rapidement refroidir et donc se solidifier, touten adoptant l’orientation cristallographique du précurseur.

Il se forme ainsi un seul et unique cristal géant de forme cylindrique. Il est ensuite équeuté (les extrémités richesen impuretés ou mal cristallisées sont retirées), avant de subir une opération d’équarrissage. Ses bords sont donccoupés de manière à lui donner une forme carrée, mais avec des coins arrondis.

Un lingot pour 2.000 wafers de silicium

Les lingots et les briques sont ensuite simultanément découpés en plusieurs centaines de plaques grâce à desscies à fils (certaines entreprises en découpent jusqu’à 2.000 en une fois). Ces galettes, ou wafer en anglais, font200 à 350 µm d’épaisseur.

Près de 30 à 40 % de la matière est perdue durant cette étape, car les scies à fil font au moins 150 μm dediamètre, et le volume scié est réduit en poudre. Elle peut cependant être recyclée sous certaines conditions, parexemple lorsque le silicium monocristallin a été débité à l’aide d’une scie diamantée. Les plaquettes multicristallinessont pour leur part découpées avec des fils métalliques recouverts par d'autres mélanges d’abrasifs.

Le dopage, la clé de la jonction p-n

À ce stade, les galettes de silicium sont dopées uniformément p ou n, selon leur position initiale dans le lingot. Laprise de contact des deux côtés n’aboutirait donc pas à la création d’une jonction p-n. Certaines zones de la

plaquette doivent donc être enrichies en phosphore ou, à l’inverse, en bore.


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Plusieurs procédés existent, mais seul celui qui est majoritairement utilisé par les industriels est présenté : ladiffusion thermique. L’opération requiert à nouveau de hautes températures. Les galettes doivent en effet êtrechauffées entre 800 et 900 °C, avant qu’un gaz contenant la solution dopante, par exemple du chlorure dephosphoryle (type n) ou de diborane (type p), ne soit injecté dans le milieu. La chaleur permet alors au dopantd’acquérir suffisamment d’énergie pour pénétrer dans la matière, et ainsi aller s’immiscer entre des atomes de Si.Petit détail, un dopage efficace ne s’obtient que lorsque la température du four est parfaitement homogène.

Les autres procédés industriels de dopage sont : l’implantation ionique, la transmutation et la technique par laser.Dès la fin de cette étape, la jonction p-n est créée, les galettes peuvent être assemblées pour donner naissance àune cellule photovoltaïque cristalline.

Page 7/18 - Quand la cellule solaire au silicium prend vie

Les cellules au silicium cristallin affichent de beaux rendements, le record ayant atteint 27,6 % enlaboratoire. Ces entités photovoltaïques, qu'elles soient monocristallines ou multicristallines, possèdent

de nombreux avantages, mais aussi quelques inconvénients dommageables comme leur poids ou leurrigidité.

La jonction p-n s’établit lorsque deux couches de silicium n’ayant pas le même dopage entrent en contact. Engénéral, la strate n est placée au-dessus de la strate p, elle est donc la première à être exposée à la lumièresolaire.

La strate n est conventionnellement recouverte d’une couche antireflet, et ce afin de minimiser la réflexion desphotons. Dans l’architecture de cellule la plus classique, des collecteurs de charges sont alors ajoutés par le biaisde techniques sérigraphiques, c’est-à-dire par l’ajout d’une pâte métallique (selon un motif défini) qui est par lasuite solidifiée durant un nouveau passage dans un four. On dépose sur la couche p, à l’arrière, une électrodepositive généralement en aluminium ou en argent, elle-même déposée sur un substrat. Cette métallisation conclut

la fabrication des cellules en tant que telles.

Composition couche par couche d’une cellule photovoltaïque au silicium cristallin (en bleu et rose,respectivement en fonction des dopages n et p). La strate blanche correspond à la couche antireflet, qui est

posée sur une couche d'oxyde de silicium (SiO2). Les structures grises correspondent aux collecteurs de

charges. Les contacts du haut récoltent les électrons (-e), tandis que la structure en aluminium (en bas) secharge des trous (+hole). © Cuferz, Wikimedia Commons, cc by 3.0


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Elles peuvent alors être assemblées en série ou en parallèle, selon les caractéristiques électriques souhaitées pourles panneaux, puis encapsulées. Les cellules photovoltaïques au silicium monocristallin sont d’un bleu ou d’un noiruniforme. En revanche, les structures multicristallines sont marquées par des motifs correspondant aux limites descristaux.

Un succès important, mais des avantages en demi-teinte

Les cellules monocristallines (sc-Si) représentaient 30 % du marché mondial du photovoltaïque en 2011. Lerendement commercial des modules se situe entre 13 et 21 %, mais un record de 25 % a été obtenu en laboratoire(chiffre du National Renewable Energy Laboratory , NREL). Cette technologie est donc avantageuse, mais elleaffiche un coût élevé en raison du prix des matériaux et de la quantité d’énergie requise durant leur préparation.

Les cellules photovoltaïques au silicium multicristallin sont aisément reconnaissables grâce aux motifsqu’elles affichent. Les éléments gris correspondent aux contacts métalliques de la face avant. © Cleary

Ambiguous, Flickr, cc by 2.0

Rendement des cellules multicristallines

Le rendement des cellules multicristallines est certes moindre que celui des cellules monocristallines, entre 11 et 18% pour les modules (record de 20,4 % pour les cellules), mais leur coût de fabrication aussi. Ainsi, environ 57 %des panneaux photovoltaïques vendus dans le monde en 2011 se composaient de cellules mc-Si. Elles seraient parailleurs plus résistantes dans le temps (moins de perte de puissance) que les sc-Si, tout en étant moins affectéespar le réchauffement qu'occasionne les expositions répétées au Soleil.

Inconvénients des cellules au silicium cristallin

Les cellules cristallines ont plusieurs inconvénients. Leur épaisseur les rend lourdes et surtout rigides, deuxfacteurs limitant sérieusement leurs possibilités d’installation lorsqu’elles sont intégrées dans des panneaux. Ellessont donc utilisées au sein de centrales solaires photovoltaïques ou sur des surfaces planes comme les toits. Undernier inconvénient doit être souligné : leur rendement chute rapidement lorsque la luminosité s'amoindrit ou enprésence de lumière diffuse… un peu plus que celui des cellules de deuxième génération (différence de 5 % surl'énergie produite à l'année).


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Page 8/18 - Plus minces, les cellules photovoltaïques de deuxième génération

Les cellules photovoltaïques de deuxième génération ont littéralement fait une cure d’amaigrissement.Elles ne font plus que quelques micromètres d’épaisseur, ce qui les rend légères et surtout souples.

Les cellules photovoltaïques cristallines (sc-Si et mc-Si), dont la durabilité dans le temps a été éprouvée, dominentlargement le marché mondial depuis des années, grâce notamment à leur bon rendement. Elles possèdentnéanmoins quelques inconvénients majeurs ayant poussé les chercheurs à développer des technologiesalternatives, nécessitant peu ou pas de silicium.

Les cellules photovoltaïques de deuxième génération sont tellement fines qu'elles peuvent être déposées surdes substrats souples. © Marufish, Flickr, cc by sa 2.0

Plusieurs raisons ont justifié ce choix, dont l’évolution du coût des matières premières voici quelques années. Lesilicium pur est utilisé dans les filières du photovoltaïque (90 % en 2012) et de l’électronique (10 % en 2012). Faceà la demande sans cesse croissante pour ce matériau, son prix (et donc celui des panneaux solaires) a par exempleconsidérablement augmenté entre 2008 et 2009, avant de chuter entre 2010 et 2011. Il s’est alors stabilisé auniveau des coûts des producteurs, ce qui a entraîné la défaillance des plus petits. Malgré ces aléas d’ordreéconomique, les recherches se poursuivent de plus belle.

C’est ainsi que sont apparues sur le marché des cellules à couches minces, ainsi nommées car leur zoned’absorption ne fait que quelques micromètres d’épaisseur. Pour rappel, une galette cristalline affiche une épaisseurcomprise entre 200 et 350 µm. Grâce aux économies de matériaux réalisées, les cellules dites de deuxièmegénération sont plus légères et plus faciles à installer, et souples dans de nombreux cas. Les principalestechnologies seront passées en revue, mais elles partagent toutes un point commun : elles fonctionnent selon lemême principe que les technologies de cellules cristallines. On compte ainsi les cellules photovoltaïques au siliciumamorphe, au CdTe (tellurure de cadmium), au CIGS (cuivre, indium, gallium et sélénium), et enfin au CZTS (copper zinc t in sulfide, sulfure de c uivre-zinc-étain en français).

Page 9/18 - Une cellule solaire en silicium amorphe et souple : a-Si


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Les termes photovoltaïque, mince et silicium ne sont pas incompatibles, bien au contraire. Les cellules ausilicium amorphe en sont le plus bel exemple. Certes, elles affichent un rendement assez faible, maiselles réagissent bien sous une faible luminosité, comme à l’intérieur d’une maison.

Les cellules au silicium amorphe (a-Si) sont apparues en 1976. Elles marquent une transition importante entre les

structures de première génération et de deuxième génération. Ces entités se composent toujours de silicium, maissur une épaisseur d’environ 1 µm seulement.

La technologie du silicium amorphe

Le silicium intégré dans les cellules a-Si n’a pas fait l’objet d’une cristallisation. Ses atomes sont donc agencéssans réelle organisation, ce qui leur permet de mieux capter la lumière (par rapport au silicium cristallin). Problème :les charges générées ont plus de difficulté pour se déplacer à cause de la désorganisation de la matière, ce qui setraduit par un mauvais coefficient de conversion. Par conséquent, leur rendement est faible.

La désorganisation atomique a d’autres conséquences. Les électrons de valence des atomes de Si ne forment pastoujours des liaisons covalentes au sein du semi-conducteur. Il apparaît alors des liaisons pendantes qui peuventdénaturer les propriétés électroniques du matériau. Pour limiter ce phénomène, les couches de silicium sontrégulièrement passivées avec de l’hydrogène (a-Si:H). Des atomes d’hydrogène établissent des liaisons avec lesélectrons restés libres, et réduisent ainsi le nombre de liaisons pendantes.

Les cellules photovoltaïques au silicium amorphe ont un rendement faible, mais elles fonctionnent en

intérieur. À l’origine, elles sont donc utilisées dans divers appareils électroniques comme cette calculatrice,car elles étaient sans équivalent. Elles peuvent également être intégrées dans des objets souples. ©

DanLockton, Flickr, cc by sa 2.0

L’établissement d’une jonction nécessite une troisième couche de silicium, qualifié d’intrinsèque (i, non dopé), àinsérer entre les strates n et p. Les cellules au silicium amorphe ont donc des jonctions p-i-n.

Rendement des cellules solaire a:Si

Un rendement record de 13,4 % a été atteint en laboratoire par LG Electronics avec des cellules solaires a:Si, maisles cellules commerciales affichent plutôt des valeurs comprises entre 6 et 8 %.

Ces rendements sont certes moins importants que ceux des cellules cristallines, mais les entités a-Si ont quelques


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particularités qui justifient leur utilisation. Par exemple, elles réagissent bien en présence d’une faible luminosité, etpeuvent donc produire un courant à l’intérieur d’une habitation. Ainsi, jusqu’en 2000, cette technologie aprincipalement été destinée à alimenter de petits appareils électroniques, comme des montres ou des calculatrices.Depuis, d’autres applications lui ont été trouvées. Elle est notamment utilisée pour la fabrication de panneauxsolaires souples ou à poser sur des façades.

Des cellules à multijonction sont en cours de développement, et promettent déjà d’afficher de bons rendements.Ces structures s’obtiennent en superposant plusieurs séries de couches minces, chacune absorbant des longueursd’onde différentes. Une plus grande partie du spectre lumineux est alors convertie en électricité.

Composition couche par couche d’une cellule photovoltaïque au silicium amorphe. Les trois strates (layers) dece matériau, respectivement dopées n, i et p, sont colorées en vert et en violet. Elles sont entourées

d’éléments conducteurs (aluminium en bas, et TCO, transparent conducting oxides, au-dessus). © NREL

Composition et fabrication d'une cellule au silicium amorphe

De haut en bas, les cellules a-Si se composent généralement (plusieurs variantes existent) :

d’une couche de verre par où pénètre la lumière ;d’un film conducteur transparent (ou TCO, pour transparent conducting oxides) qui récupère les chargesnégatives, par exemple de l’oxyde d'indium-étain (ITO), de l'oxyde de zinc (ZnO) ou du stannate de cadmium(Cd2SnO4) ;

de trois couches de silicium amorphe, respectivement n, i puis p ;d’une couche conductrice réflective qui récupère les trous (souvent en aluminium) ;d’un substrat en verre (solide), en métal (souple) ou en plastique (souple).

Les trois couches de silicium sont déposées sur le substrat et l’aluminium dans une chambre maintenue sous videet à une température comprise entre 150 et 300 °C. Dans la plupart des cas, l’apport de matière se fait grâce àl’injection de silane (un gaz de formule SiH4) et d’hydrogène, selon la technique du dépôt chimique en phase

vapeur assisté par plasma (PECVD). L’application d’une tension radiofréquence entre deux électrodes parallèlesplacées à proximité du substrat génère un plasma pouvant dissocier le silane, et ainsi favoriser le dépôt de silicium.

Les températures requises ne sont pas importantes en regard de celles appliquées durant la synthèse desstructures cristallines. Ainsi, les cellules a-Si ont un coût de fabrication réduit. Par ailleurs, il faut 100 fois moins desilicium pour les produire (pour des cellules de taille identique). Cependant, ce détail n’influence plus qu’à quelquespour cent le coût total de fabrication des cellules.

Inconvénients des cellules a-Si


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Hormis leur faible rendement, les cellules a-Si présentent un autre inconvénient majeur : leurs performancesdiminuent rapidement de 10 % à 20 % de leur puissance durant les trois à six premiers mois d’exploitation. Lescellules CdTe, elles aussi apparues en 1976, n'ont pas ces problèmes. Mais n’en ont-elles pas d’autres ?

Page 10/18 - Les cellules au CdTe : minces, rentables... mais toxiques ?

Les cellules au tellurure de cadmium (CdTe) affichent des rendements intéressants étant donné leurscaractéristiques, ce qui explique probablement leur succès actuel. Elles renferment pourtant deséléments rares ou théoriquement toxiques pour l’Homme et l’environnement. Dernier détail, elles sontdites à hétérojonction. Nous verrons pourquoi.

Les cellules au tellurure de cadmium (CdTe) présentent les avantages liés à la technologie des couches minces :elles sont légères, robustes, et seront peut-être un jour flexibles (de telles cellules existent déjà, mais uniquementen laboratoire). Elles ont pris un véritable essor ces dernières années, notamment grâce à leur commercialisationpar l’entreprise américaine First Solar.

La technologie liée au CdTe

Le tellurure de cadmium est employé en tant que semi-conducteur dopé p. Un autre matériau est donc requis pourréaliser la jonction p-n, à savoir du sulfure de cadmium dopé n (CdS). Une telle union entre deux semi-conducteursdifférents est appelée hétérojonct ion.

L’emploi du tellurure de cadmium procure plusieurs avantages aux cellules. Seuls 1 à 8 µm de CdTe suffisent pourabsorber une grande quantité de lumière, y compris lorsqu'elle vient à manquer, comme à l’aube, au crépuscule oupar temps couvert. Les panneaux solaires rigides se comportent également mieux que les autres lorsque leurtempérature monte, ce qui survient aux plus chaudes heures de la journée. Ils ne perdent que 3 % de leurpuissance par tranche de 10 °C supplémentaires, contre 5 % pour les cellules cristallines (chiffres de First Solar).

La centrale solaire de La Narbonnaise (Aude) est équipée de 95.000 panneaux solaires au CdTe. Elle a étéinaugurée le 18 décembre 2008. © H. Hôte (Agence Caméléon), EDF EN

En 2010, les cellules au CdTe représentaient 6 % du marché mondial du photovoltaïque. Dernièrement, plusieurs


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centrales solaires françaises en ont été équipées.

Rendement des entités au tellurure de cadmium

Un rendement record de 18,7 % a été atteint le 26 février 2013 par une cellule expérimentale de First Solar,

rendement confirmé par le National Renewable Energy Laboratory (NREL, laboratoire indépendant). Les panneauxcommercialisés ont quant à eux des performances moindres, de l’ordre de 12,5 %.

Composition et fabrication des cellules au CdTe

Le coût de fabrication d’une cellule au tellurure de cadmium serait deux à trois fois moins important que celui d’unestructure cristalline, notamment grâce à l’optimisation du procédé de fabrication, à la faible main-d’œuvre requiseet aux économies d’échelle (baisse du coût à la suite de l’augmentation de la productivité).

Structure d’une cellule photovoltaïque au CdTe. La couche d’absorbant dopé p (en mauve) repose sous unautre semi-conducteur dopé n (CdS). Ces deux couches forment une hétérojonction. © NREL

Concrètement, une cellule au CdTe se compose, de haut en bas :

d’une vitre protectrice ;d’une couche conductrice transparente, par exemple faite d’oxyde d'indium-étain (ITO) ou d’oxyde de zinc(ZnO). Elle récolte les charges négatives sur une épaisseur de 0,2 à 0,5 µm ;de sulfure de cadmium CdS dopé n (épaisseur de 0,06 à 0,2 µm) ;de tellurure de cadmium dopé p (épaisseur de 2 à 8 µm) ;de la couche conductrice inférieure métallique. Elle est parfois fabriquée à partir d'une pâte de carbone

enrichie en cuivre ;du substrat, dont la nature peut varier selon les propriétés désirées (souple ou rigide).

Les cellules au CdTe sont produites de différentes manières. First Solar utilise par exemple la méthode VTD (vapor transport deposition), car elle permet de déposer de faibles épaisseurs de matériaux sur des substrats mobiles.Concrètement, du tellure et du cadmium sont chauffés indépendamment dans des chambres, puis des gaz inertesvont transporter les vapeurs générées. Elles sortent par des orifices situés à environ 1 cm des supports. Lamatière se dépose alors sur le substrat, qui est maintenu à une température inférieure à la températured’évaporation. Un panneau solaire complet peut être produit en deux heures et demie, avec des pertes de matièrepremière estimées à seulement 2 %.

Les inconvénients du CdTe

Deux problèmes majeurs se posent avec cette technologie. Le tellure est un élément rare (entre une et cinq


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parties par milliard dans la croûte terrestre). Il pourrait venir à manquer ou ne plus être disponible en quantitésuffisante pour assurer la pérennité des filières qui l’utilisent.

Le cadmium pose également question, car il s’agit d’un élément toxique pouvant s’accumuler le long de la chaînealimentaire. Dans les années 1950, des industries minières ont déversé du cadmium dans des cours d’eau de la

préfecture japonaise de Toyama, provoquant alors l’apparition de la maladie dite Itai-Itai au sein de la population.Elle se traduisait notamment par des ramollissements d’os et des insuffisances rénales. Les habitants touchés senourrissaient entre autres de riz issus de cultures irriguées par les eaux contaminées. Précisons toutefois que lecadmium devient inoffensif une fois inclus dans les cellules solaires, comme l’ont confirmé plusieurs étudesscientifiques publiées dans des revues spécialisées.

Un incendie ne pourrait pas libérer le cadmium des cellules solaires, car la chaleur ferait fondre le verre l’entourant,ce qui l’emprisonnerait. Les principaux risques concerneraient les personnes travaillant dans les usinesd’assemblage ou de recyclage, mais il existe de nombreux procédés industriels pour éviter tout empoisonnement.

Ajoutons enfin qu’il faut moins de cadmium pour fabriquer un panneau solaire qu’une seule pile NiCd. Pour les moinsconvaincus, des cellules dépourvues d’élément toxique ont vu le jour dans les années 1980. Elles se composent

notamment d’indium et de gallium.

Page 11/18 - CIGS : une cellule photovoltaïque sans élément toxique

Les cellules photovoltaïques au CIGS sont prometteuses. En effet, le mélange de cuivre, de gallium,d’indium et de sélénium est un très bon absorbant (ce qui se traduit par des rendements élevés),dépourvu de toxicité pour l’environnement et la santé. Problème : l’indium, qui entre également dans lafabrication des écrans plats, pourrait venir à manquer.

Les cellules CIGS utilisent, comme les technologies au silicium ou au tellurure de cadmium, le principe de la jonctionp-n. Elles se démarquent cependant des autres pour deux raisons : elles ne possèdent ni silicium, ni élément

toxique comme le cadmium (ou alors en infime quantité). Aucun souci environnemental ou sanitaire n’est donc àcraindre. Le semi-conducteur employé présente par ailleurs l’un des meilleurs coefficients d’absorption toutescellules confondues (le record étant détenu par le silicium amorphe).

Le marché mondial du photovoltaïque CIGS a fortement augmenté ces dix dernières années. La production mondialede ces cellules a été estimée à 450 MW en 2011.

La technologie du CIGS

Les cellules CIGS renferment un absorbant composé de cuivre, de gallium, d’indium et de sélénium. Cette couchede 1 à 2,5 µm d’épaisseur étant dopée p, elle doit être recouverte d’un matériau de type n, par exemple du sulfurede cadmium (CdS). Tiens donc, du cadmium… mais sur une épaisseur de seulement 0,04 à 0,07 µm, autant dire

qu'il est présent en infime quantité. Puisqu'il y a deux semi-conducteurs différents, les cellules CIGS sont ellesaussi à hétérojonct ion.


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La finesse des cellules photovoltaïques au CIGS permet de les fabriquer sur des substrats souples. © Dantor,Wikimedia Commons, cc by sa 3.0

Comme son homologue au silicium amorphe, la cellule CIGS résiste mieux à l’échauffement que les cellules ausilicium cristallin, mais moins bien que les cellules au CdTe. En plus, elle capte un peu mieux la lumière en début eten fin de journée (quelques pour cent), comme toutes les couches minces.

Les entités cristallines requièrent 3,5 g de silicium pour afficher un watt-crête. Pour une puissance équivalente, lescellules CIGS ont seulement besoin de 0,08 g d’absorbant.

Rendement des cellules à couches minces

Le meilleur rendement atteint par une cellule CIGS rigide est de 20,4 %. Aucune autre structure mince à bas coûtn’a fait mieux, à l’exception des cellules à l’arséniure de gallium. Le record pour des cellules souples est quant à luide 19 %.

Ces valeurs ont été obtenues avec des composants expérimentaux, mais l’industrie ne s’en sort pas trop mal.L’entreprise américaine Nanosolar parvient ainsi à produire des cellules par impression affichant un rendement de17,1 %, mais dans un contexte plutôt « semi-industriel ». Les modules sortant de leurs chaînes de productionn’atteignent pas cette performance.

Composition et fabrication d'une entité photovoltaïque au CIGS

Les cellules CIGS peuvent être construites sur des supports en plastique, en verre de silicate sodocalcique de 1 à3 mm d'épaisseur, ou sur des feuilles métalliques.


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Composition couche par couche d’une cellule photovoltaïque au CIGS. Les structures assemblées sur du verre( glass) sont rigides. À l’inverse, celles construites sur des feuilles métalliques (metal foil ) ou sur du plastique

( plastics) sont souples. © NREL

Elles se composent souvent :

d’un verre de protection ;d’une couche conductrice transparente en oxyde de zinc (ZnO) intrinsèque de 450 nm d’épaisseur (elle estsouvent précédée d’une couche de ZnO dopée à l’aluminium) ;d’une couche d'environ 50 nm de sulfure de cadmium (CdS), ou d’un composé mixte comprenant du zinc, del’oxygène, du soufre et des hydroxydes [Zn(S,O,OH)] ;de la couche de CIGS (épaisseur : environ 2 µm) ;

du collecteur de charges inférieur, constitué de molybdène ;du substrat préalablement évoqué.

Plusieurs méthodes sont utilisées au niveau industriel pour assembler des cellules CIGS. Le contact arrière (c’est-à-dire la couche de molybdène) est déposé par pulvérisation cathodique. La sélénisation (l’électrodéposition ou lapulvérisation suivie d’une exposition à un gaz contenant du sélénium), la coévaporation ou la pulvérisation réactivesont ensuite utilisées pour déposer la couche absorbante. La strate tampon naturellement dopée n est adjointe viaun bain chimique. Enfin, la couche fenêtre (c ’est-à-dire le conducteur supérieur transparent) est toujours déposéepar pulvérisation. La meilleure cellule CIGS a été fabriquée par coévaporation.

La plupart de ces procédés impliquent l’utilisation répétée de hautes températures ou l’obligation de travailler sous

une atmosphère protectrice à de faibles pressions (environ 10-8 mbar). Ces quelques points font rapidement

grimper les coûts de fabrication. Des alternatives moins onéreuses existent, mais les cellules produites présententdes rendements moindres.

Ainsi, les cellules CIGS peuvent également être fabriquées par impression. Dans ce cas, les éléments requis sontimmergés sous forme de nanoparticules dans une encre. Une imprimante spéc ifique est alors employée pourdéposer les différentes couches composant les cellules, à température ambiante et dans un environnementclassique (pas de vide, d’atmosphère inerte, etc.). Les structures produites par impression affichent donc unrendement inférieur aux autres. Néanmoins, ce procédé de fabrication a l’avantage d’accélérer la production et derentabiliser au mieux l’utilisation des matériaux.

Enfin, les différentes c ouches peuvent êt re déposées par frittage. Des nanoparticules sont étendues par unsystème d’électropulvérisation sur des précurseurs puis chauffées, mais sans que leur température de fusion soitatteinte. Elles vont alors se souder entre elles, et ainsi assurer une cohésion dans les couches déposées.


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Des inconvénients liés à l'indium

Les cellules CIGS sont plus minces que leurs homologues cristallins et moins dangereuses pour les ouvriers, lesfabricants et l’environnement que les structures au tellurure de cadmium. Elles ne sont pas pour autant dépourvuesd’inconvénients, puisqu’elles intègrent de l’indium, un élément dont les réserves ne cessent de diminuer. En cause,

il entre également dans la composition des écrans plats LCD, dont la commercialisation a explosé ces dernièresannées.

Environ 640 tonnes d’indium primaire, un élément entrant dans la composition de l’oxyde d’indium et d’étain,composé alliant transparence et conductivité, ont été produites en 2011 dans le monde (chiffre de l’USGS). Pour lamême année, sa consommation totale a été estimée à 1.800 tonnes.

Pour information, il en faut environ 5 g pour construire un panneau solaire CIGS, et 1 g pour fabriquer un écran platde 15 pouces. Selon diverses estimations, les réserves mondiales d’indium seront épuisées d’ici une vingtained’années.

Page 12/18 - CZTS, une cellule solaire sans élément rare

Le cuivre, le zinc, l’étain, le soufre et le sélénium forment ensemble un matériau semi-conducteur dechoix, puisqu’il est fait d’éléments courants et non toxiques. Dommage que le rendement affiché par lescellules CZTS ne soit pas plus élevé… Il devrait augmenter dans les années à venir. Le CIGS et le CdTeauront-ils bientôt un remplaçant de premier ordre ?

De nouvelles cellules sont déjà en cours de développement en prévision de la pénurie probable d’indium.Cependant, remplacer les cellules au CIGS représente un véritable défi tant cet absorbant est efficace. Unealternative exploitant le principe de la jonction p-n se démarque néanmoins depuis la fin des années 2000 : lacellule CZTS.

Elle possède des propriétés optiques et électroniques similaires à celle au CIGS, tout en ayant l’avantage d’êtrecomposée d’éléments abondants (à l’inverse du tellure ou de l’indium) et non toxiques pour la santé oul’environnement (le cadmium peut être banni). Par ailleurs, ses constituants de base seraient c inq fois moinscoûteux que ceux de la filière CIGS.

La technologie des cellules CZTS

S’il n’y a ni terre rare ni élément toxique, qu’y a-t-il à la place ? Les cellules CZTS renferment en réalité unabsorbant fait de cuivre, de zinc, d’étain, de soufre et de sélénium, de formule Cu2ZnSn(S,Se)4. L’ajout d’un autre

semi-conducteur dopé n est requis pour former une hétérojonction, comme pour les cellules CIGS.

Selon un article paru en 2009 , nous pourrions produire suffisamment d’énergie pour subvenir aux besoins de lapopulation mondiale en n’exploitant que 0,1 % des réserves des principaux éléments concernés. Est-ce la solutionmiracle pour autant ?


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Cette cellule solaire CZTS ne contient pas de terre rare ni d’élément toxique en quantité. Elle pourraitremplacer les structures au CIGS et au CdTe, si son rendement augmente dans les années à venir. © NREL

Rendement des entités photovoltaïques au CZTS

C’est ici que le bât blesse. Le rendement expérimental des cellules CZTS atteint à peine 11,1 %, soit la moitié decelui des cellules CIGS. Or, le rendement des modules solaires est toujours inférieur à celui des cellules, ce quiexplique que la technologie CZTS n’ait pas encore été industrialisée.

La société AQT Solar envisage cependant le lancement d’une ligne de production dans le courant de l’année 2013.

Composition et fabrication des cellules CZTS

La structure et la fabrication des cellules CZTS et CIGS sont similaires. Seules les conditions optimalesd’assemblage varient d’une filière à l’autre. Les substrats peuvent eux aussi être rigides ou souples.

Du haut en bas, une cellule CZTS se compose :

d’un verre de protection ;d’une couche conductrice t ransparente d’oxyde de zinc intrinsèque (elle est parfois précédée d’une couchede ZnO dopée à l’aluminium, de 400 nm d’épaisseur) ;d’une couche de sulfure de cadmium (CdS) ou d’un composé mixte comprenant du zinc, de l’oxygène, dusoufre et des hydroxydes Zn(S,O,OH). D’une épaisseur de 70 nm, ils sont naturellement dopés n ;de la couche de CZTS (épaisseur d’environ 1,5 µm) ;du conducteur inférieur, généralement du molybdène (épaisseur de 300 nm) ;

du substrat.

Les cellules CZTS peuvent être fabriquées sous vide en utilisant la pulvérisation cathodique, la coévaporation ou ledépôt laser pulsé (PLD pour pulsed laser deposition, aussi appelé ablation laser pulsé). Dans ce dernier cas, unpuissant faisceau laser se charge d’ablater la matière à déposer pour la transformer en une vapeur. Celle-ci peutensuite se condenser sur la pièce à revêtir. Petit détail important : le CZTS se dégrade s’il est chauffé sous vide àplus de 500 °C. Notons que les rendements actuels des cellules CZTS produites par ce procédé sont faibles, moinsde 1 % !

Sans avoir recours au vide, les cellules peuvent être assemblées par électrodépôt, par impression, par despyrolyses par spray (les différents éléments sont projetés sur un support chauffé) ou par un procédé sol-gel(grâce à de simples réactions chimiques).

L'inconvénient majeur : le rendement


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Seul le faible rendement des cellules CZTS pose actuellement problème.

Page 13/18 - Quand le plastique entre en jeu : la cellule solaire organique

Les cellules photovoltaïques de première et deuxième génération préalablement présentées manquentcruellement de couleur, puisque sans adaptation spécifique, seuls deux tons sont disponibles : gris etbleu. Grâce aux polymères, les panneaux solaires peuvent désormais afficher de belles structuresrouges, jaunes ou encore roses, tout en étant intégrés dans des fenêtres.

Les cellules photovoltaïques de première génération ou de deuxième génération précédemment présentées sonttoutes composées d’éléments inorganiques, ce qui les rend durables, stables et surtout robustes. Certaines entitésde troisième génération ne partagent pas toutes ces caractéristiques, mais cela ne les rend pas inintéressantespour autant, car elles disposent d’autres avantages qu’il peut être utile d’exploiter. C’est particulièrement vrai pourles cellules solaires organiques (OPV), car elles sont partiellement ou totalement faites de plastique.

Ces structures sont peu onéreuses, tout en étant faciles à produire et à manipuler. Elles sont par ailleursdégradables, ce qui autorise leur intégration dans des objets jetables. Il s’agit donc d’une technologie propre. Leurlégèreté (moins d’un gramme par mètre carré pour certaines) et leur souplesse permettent également leurinstallation dans des lieux uniques, par exemple à l’intérieur de vitres, surtout lorsqu’elles font moins d’un millimètred’épaisseur.

Un dernier détail distingue les cellules organiques des inorganiques : la couleur. Des pigments peuvent être utiliséspour les teindre en rouge, vert, rose ou encore violet (la liste n’est pas exhaustive).

Les cellules photovoltaïques organiques peuvent être fines et transparentes, ce qui permet de les inclure dansdes vitres (comme sur le carré de droite). © UC Regents, 2012

La technologie du photovoltaïque aux polymères

Les matériaux semi-conducteurs sont donc organiques. Ils se composent soit de « petites molécules » dont lamasse volumique est inférieure à 1.000 g/mol (comme le PCBM incorporant un noyau de fullerène), soit depolymères plus volumineux (à l’image du P3HT), soit des deux à la fois. Le PCBM et le P3HT sont régulièrementassociés au sein des cellules photovoltaïques organiques, car ils sont respectivement accepteur (type n) etdonneur (type p) d’électrons. Ils peuvent donc former des hétérojonctions p-n.


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Le principe de fonctionnement de ces cellules repose lui aussi sur l’effet photovoltaïque. L’impact d’un photon surune molécule de type p peut ici aussi exciter un électron et donner naissance à une paire électron-trou (ouexciton). C’est précisément à ce moment qu’une importante différence apparaît, puisque la durée de vie desexcitons est réduite. Les deux charges s’attirent fortement et tendent à se recombiner avant d’atteindre un sitede dissociation, c'est-à-dire une jonction, et ce d’autant plus que leurs déplacements sont lents. Ainsi, les cellulesorganiques captent très bien la lumière, mais peu de charges sont collectées, ce qui se traduit par des rendementsfaibles.

Il a notamment été envisagé de réduire la distance séparant les sites de photogénération des lieux de dissociationdes charges. L’une des solutions trouvées est simple : mélanger les molécules donnant et acceptant les électrons.Ainsi, des polymères de PCBM peuvent être séparés par des molécules de P3HT (qui ont une forme en bâtonnet) ausein d’un réseau interpénétré qui forme alors une seule couche absorbante.

Une fois séparées, les charges sont collectées de manière conventionnelle grâce à des électrodes respectivementplacées au-dessus et en dessous de la couche absorbante mixte.

Rendement des cellules photovoltaïques en plastique

L e record de rendement est actuellement détenu par l’entreprise allemande Heliatek. L’une de leurs cellulesorganiques a atteint un rendement de 12 % en janvier 2013, mais elle est dite « en tandem ». En effet, elle secompose de deux couches d’absorbant qui réagissent à des longueurs d’onde différentes, ce qui permet deconvertir une plus grande partie du spectre lumineux en énergie.

Le record de rendement pour une cellule organique « simple » est actuellement de 11,1 %.

Composition et fabrication d'une entité OPV

Les cellules organiques peuvent adopter différentes structures, avec un nombre de couches variable. Pourcompliquer le tout, ces entités sont parfois assemblées de manière inversée. Par conséquent, trous et électronspeuvent être récoltés, au choix, par l’électrode supérieure ou inférieure.

Les polymères respectivement dopés p et n sont colorés en vert (donor ) et en rose (acceptor ). Ils forment unréseau interpénétré. Cette structure permet de réduire la distance qui sépare les jonctions p-n et les sites de

photodissociation. La couche de PEDOT:PSS, un mélange de polymères, empêche la diffusion de l’oxygèneproduit par la couche TCO. © NREL

D’une manière simplifiée, une cellule OPV renfermant un réseau interpénétré se compose :


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d’un verre ou d’un plastique transparent par lequel pénètre la lumière ;de l’anode qui doit être transparente. Elle peut être en ITO (épaisseur d’environ 100 nm), mais desalternatives existent pour éviter l'utilisation d'indium (ZnO ou TiOx, par exemple) ;

d’une couche de PEDOT:PSS (mélange de deux polymères) qui bloque la diffusion de l’oxygène produit par

l’ITO, car il peut altérer le polymère ;de la couche ac tive incorporant les polymères n et p, tels le PCBM et le P3HT ;du contact métallique arrière (par exemple en aluminium) ;du substrat.

Parmi les variantes possibles, citons le cas des cellules où les deux types de polymères (PCBM et P3HT) ne sontpas mélangés, mais bien déposés en deux couches superposées. Certaines entités intègrent également une couchesupplémentaire de bathocuproïne (BCP) entre les polymères et la cathode en aluminium. Elle permet d’éviter larecombinaison d’excitons à l’interface organique-métal.

Les cellules OPV sont faciles à produire sur de grandes surfaces, et en grande quantité, par le biais de procédés enroll-to-roll . Le substrat souple, par exemple du polyester, avance alors à vitesse constante en passantsuccessivement dans différentes installations, chacune ajoutant l’une des couches requises. Les procédés de

dépôt exploitent la vaporisation sous vide.

L’entreprise Heliatek fabrique par exemple ses cellules sur des bandes de substrat longues de 500 m (et larges de30 cm), les entités étant par la suite structurées grâce à des outils laser. La température requise durant lesopérations ne dépasse pas 120 °C. Attention toutefois, Heliatek produit des cellules dites à oligomères. Lesmolécules utilisées sont plus petites (masse molaire inférieure à 1.000 g/mol) que les polymères. Par ailleurs, lesmolécules dopées n ou p ne sont pas mélangées, mais bien déposées en deux couches distinctes.

L’impression est également utilisable, mais uniquement sur des substrats rigides comme le verre.

Inconvénients des cellules solaires organiques

Les cellules organiques présentent quelques inconvénients, parmi lesquels figurent :

un taux de conversion (et donc un rendement) plus faible que les autres ;une baisse de stabilité et de solidité causée par les changements de température cycliques qui affectent lescellules exposées au Soleil.

Page 14/18 - Les techniques photovoltaïques à venir

Certaines cellules photovoltaïques font de plus en plus parler d’elles, alors que d’autres restentméconnues, même si l’avenir pourrait leur sourire. Les technologies mises en jeu sont diverses etvariées : concentration de la lumière solaire, imitation de la photosynthèse ou encore recours à des

boîtes quantiques.

Il est difficile de dresser une image complète des technologies photovoltaïques actuelles, tant les pistes exploréespar la recherche sont nombreuses. Certaines structures en cours de développement méritent néanmoins d’êtreévoquées.

Les cellules photovoltaïques à concentration

Dans un panneau solaire, les cellules photovoltaïques sont ce qu’il y a de plus onéreux. Des solutions ont donc étérecherchées pour réduire leur nombre. L’une d’entre elles consiste à concentrer 500 à 1.000 fois la lumière solairesur des cellules à multijonction (elles ont des rendements de 30 à 40 %), grâce à des miroirs paraboliques ou deslentilles de Fresnel.

Les cellules à multijonction s’obtiennent en empilant plusieurs entités photovoltaïques différentes les unes sur les


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autres, ce qui permet de convertir une plus grande partie du spectre lumineux (ondes courtes, ondes moyennes,rayonnement infrarouge). Ces cellules sont couramment exploitées dans l’industrie spatiale, mais pas par lesparticuliers, tant elles sont coûteuses.

Cependant, cette technologie n’est efficace qu’à une seule condition : les panneaux doivent suivre la course du

Soleil. En effet, le rayon lumineux concentré doit en permanence être axé sur la cellule si l’on souhaite générer uncourant.

Les cellules à pigments photosensibles

Grâce aux travaux de Michael Grätzel, les cellules à pigments photosensibles ont vu le jour en 1991 à l’Écolepolytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). Elles s’inspirent directement de la photosynthèse pratiquée par lesvégétaux.

Les cellules Grätzel peuvent exhiber différentes couleurs, ce qui permettrait une meilleure intégration despanneaux solaires dans notre environnement quotidien. © Sastra, Wikimedia Commons, DP

Ces cellules se composent d’une surface conductrice transparente (par exemple en oxyde d’étain dopé au fluor)sur laquelle est déposé un matériau semi-conducteur comme le dioxyde de titane (TiO2). Des pigments, telle la

polypyridine au ruthénium, sont insérés à l’intérieur de cette dernière couche. Leur fonction est comparable à celle

de la chlorophylle des végétaux. Le dispositif est complété par une couche d’électrolytes (une solution iodure-triiodure), puis par la cathode qui forme la paroi inférieure de la cellule.

La lumière solaire provoque l’éjection d’un électron hors du pigment. Il diffuse ensuite dans le semi-conducteur, jusqu’à rejoindre l’anode. Ce mouvement n’est possible que pour une seule raison : l'électrolyte donne desélectrons au pigment qui vient d’en perdre, avant que la charge négative excitée puisse se recombiner.L’accumulation des électrons dans la partie haute de la cellule cause alors l’apparition d’une différence depotentiel.

En mai 2013, un rendement record de 15 % a été atteint en laboratoire par Michaël Grätzel à l’EPFL. Quant auxcellules commerciales, elles ne dépassent pas 5 %, mais elles ont cependant un important défaut : elles vieillissenttrès rapidement.

Les cellules solaires à boîtes quantiques


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Le domaine des nanotechnologies n’a pas encore été abordé dans ce dossier. Il est pourtant prometteur, bien quetoujours expérimental. Les boîtes quantiques sont des nanocristaux semi-conducteurs mesurant moins de 10 nm.Ces boîtes présentent deux caractéristiques importantes : elles captent la lumière à différentes longueurs d’onde,et sont faciles à produire à moindre coût.

Les cellules à boîtes quantiques se composent d’une plaque de verre qui est recouverte par de l’oxyde d’étain dopéau fluor. Il sert de conducteur transparent. Un matériau semi-conducteur, comme le dioxyde de titane ou l’oxydede zinc, est alors posé sur cette couche, avant d’être lui-même recouvert par les boîtes quantiques. Le tout estfinalement fixé par un oxyde de molybdène, de l’or et de l’argent. L’épaisseur totale du dispositif est d’environ 1,5µm.

Un rendement record de 7 % est actuellement détenu par des chercheurs de l’université de Toronto, au Canada.Cependant, il serait théoriquement possible d’atteindre des valeurs de 60 à 83 %.

Page 15/18 - Les cellules photovoltaïques en chiffres

De nombreuses informations, chiffrées ou non, ont été fournies pour chaque cellule photovoltaïque,qu’elles soient de première, de deuxième ou de troisième génération. Les plus intéressantes d’entre ellesont été rassemblées sous la forme d’un tableau, l’objectif étant de faciliter les comparaisons.

Grâce au tableau ci-dessous, découvrez quelle cellule photovoltaïque possède le meilleur rendement (selon lesdonnées publiées par le NREL, National Renewable Energy Laboratory ) ou la plus faible épaisseur. Les principauxinconvénients propres à chaque technologie sont également rappelés. N'hésitez pas à faire des comparaisons.

Tableau récapitulant les principales caractéristiques et performances des cellules photovoltaïques les plusimportantes (nc = non connu). © Futura-Sciences

Les rendements indiqués ont été vérifiés en mai 2013. Pour trouver les dernières valeurs à jour concernant lescellules solaires, vous pouvez consulter ce graphique fourni par le NREL.

Page 16/18 - De l’usine de cellules photovoltaïques à l’installation sur un toit


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Les panneaux solaires installés sur les toits, ou dans des centrales photovoltaïques, incorporent desdizaines de cellules qu’il faut particulièrement bien protéger. En effet, elles sont sensibles à de nombreuxfacteurs environnementaux, comme l’humidité ou la poussière. L’encapsulation puis la lamination sontdonc nécessaires avant d'installer des panneaux sur un toit.

Les principales cellules photovoltaïques actuellement ou prochainement produites viennent d’être décrites endétail, mais que deviennent-elles une fois leur fabrication terminée ? En effet, elles ne peuvent pas être poséestelles quelles sur les toits (ou ailleurs), car elles sont sensibles à l’humidité, à la poussière ou encore à diversagents corrosifs. Il faut donc les protéger du milieu extérieur avant toute utilisation.

De même, la production électrique d’une seule cellule est faible. Il faut donc en assembler des dizaines pour obtenir

la production électrique escomptée. Par exemple, 15 à 30 m2 de panneaux solaires sont requis pour qu’uneinstallation puisse atteindre une puissance de 1,5 à 3 kW.

Finalement, le courant produit est continu et ne peut donc pas être injecté dans un réseau électrique. Voyonsquelles solutions ont été trouvées à tous c es problèmes.

L’encapsulation, ou la survie de la celluleMalgré des procédés de fabrication parfaitement identiques, les cellules sont toutes testées individuellement à lafin de leur production. Seules des cellules présentant des propriétés électriques identiques sont assembléesconjointement. Pour ce faire, des rubans métalliques sont utilisés pour unir le contact arrière d’une unité avec lecontact avant de la cellule suivante. Elles peuvent être regroupées aussi bien en série ou en parallèle, en fonctiondes caractéristiques que l’on souhaite donner au module.

Installation photovoltaïque typiquement rencontrée chez un particulier. Le courant continu produit par lespanneaux solaires est transformé en courant alternatif pour rejoindre le réseau. © Idé

Une fois l’assemblage terminé, les cellules sont placées entre deux couches d’éthylène-acétate de vinyle (EVA) oude polyvinyle de butyral (PVB). Ces deux polymères sont à la fois transparents (transmission de la lumièresupérieure à 90 %), non conducteurs de courant, très collants sous certaines conditions, imperméables à l’eau etrésistants à la chaleur. Bref, il s’agit des matériaux idéaux pour isoler les cellules de leur environnement.

Enfin, si le panneau est destiné à être rigide, l’ensemble peut être inclus entre deux plaques de verre, ou entre une


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vitre et une plaque arrière faite de couches minces de polymère (Mylar, Tedlar) et d’aluminium (conceptionmonoverre). Les connexions de sortie sont alors fixées sur la face arrière des panneaux. Le verre employé est dequalité solaire. Il contient moins de fer qu’une vitre classique, pour permettre une meilleure transmission de lalumière. Le tout est emprisonné dans un cadre métallique, bien souvent en aluminium.

Quand tous les éléments fusionnent : la laminationLe module solaire n’est pas encore totalement terminé à ce stade. Il renferme toujours de l’air et l’encapsulationn’est pas parfaite, l’EVA ou le PVB ne s’étant pas encore liés fortement aux divers constituants. C’est pourquoi uneétape de lamination est requise.

Représentation schématique d’un lamineur servant à l’encapsulation des cellules photovoltaïques au sein despanneaux solaires. Le procédé est décrit ci-dessous. Tous les composants du panneau sont inclus dans le

laminat. © El Amrani et al., Revue des énergies renouvelables, 2006

Tous les éléments (cellules, EVA, verre, aluminium) sont insérés dans la chambre inférieure d’un lamineur qui estmaintenue à 100 °C. Le vide est alors réalisé dans le compartiment. Dans un deuxième temps, la chambresupérieure, qui était jusqu’alors maintenue sous vide, est mise à pression atmosphérique, ce qui provoque ladescente d’une membrane sur le panneau. La pression exercée sur ce dernier et l’action continue de la pompe àvide du premier compartiment finissent d’extraire l’air qui pouvait encore subsister dans l’assemblage. Il ne resteplus qu’à faire monter la température à 156 °C durant 15 minutes pour faire polymériser l’EVA ou le PVB.

À leur sortie du lamineur, les modules présentent des excédents d’encapsulant, qui sont alors retirés manuellement.Lorsque les boîtes de connexion ont été ajoutées, le panneau peut être stocké en attendant d’être vendu.

Une fois installés et raccordés entre eux, les panneaux photovoltaïques fournissent un courant continu qui est

converti en courant alternatif grâce à un onduleur. Dès ce moment, l’électricité produite peut être injectée sur leréseau, après être passée dans un compteur, ou stockée dans des batteries… jusqu’à ce que les panneaux arriventen fin de vie ?

Page 17/18 - Le recyclage des panneaux photovoltaïques

Nos objets électroniques ont tous une durée de vie limitée. Les panneaux solaires aussi ! Au vu dunombre grandissant d’installations photovoltaïques construites chaque année dans le monde, des filièresde recyclage se sont mises en place, chacune avec sa propre méthode pour détruire les cellules etréemployer leurs matériaux.

Les panneaux solaires produits de nos jours sont au minimum garantis pour fonctionner 20 ans. De nombreux


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constructeurs garantissent même une perte de puissance qui n’excède pas 20 % durant 25 ans, mais que faire desmodules endommagés ou en fin de vie ? La question n’est pas anodine, vu le nombre de panneaux installés chaqueannée et la rareté ou la toxicité de certains de leurs composants. La réponse paraît évidente depuis quelquesannées : les recycler !

Les consommateurs comme les producteurs sont de plus en plus conscients de l’importance du recyclage, et cepour plusieurs raisons. Premièrement, la diminution des réserves de plusieurs éléments, comme les terres rares, etla concurrence pour le silicium provoquent des tensions croissantes d’approvisionnement sur les marchés. Lerecyclage pourrait les réduire en fournissant une quantité accrue de matières premières. D

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