les cellules photovoltaïques en silicium : théorie et

QuinteSciences

QuinteSciences

La collection QuinteSciences s’adresse à un public spécialisé. Elle propose des ouvrages de référence, écrits par des experts reconnus dans leur domaine et aborde, de manière approfondie, un sujet scientifi que. QuinteSciences contribue ainsi à la diffusion des savoirs fondamentaux. www.edpsciences.org49 €9 782759 818273

978-2-7598-1827-3

L’énergie photovoltaïque est aujourd’hui en plein essor. La part issue des panneaux solaires dans la production d’électricité est de plus en plus importante et connaître le fonctionnement physique et les moyens de production d’une cellule solaire en silicium devient inévitable dans ce domaine.

Ce livre présente le mécanisme électronique régissant l’absorption d’un rayon lumineux par le silicium et la propagation du courant créé, en introduisant entièrement la théorie de la jonction p-n. L’auteur décrit dans une deuxième partie les transformations successives d’une plaquette en silicium en cellule solaire. Enfin, dans une troisième partie, les améliorations pour augmenter le rendement des cellules sont exposées et permettent de mieux comprendre comment la filière photovoltaïque se transforme.

Destiné à des étudiants, ingénieurs et chercheurs, ce livre permet d’avoir une vue très complète sur les cellules solaires en silicium.

Après avoir acquis une double formation de mathématicien et de physicien en Allemagne et en Autriche, Nicolas Richet a obtenu un doctorat en physique à l’Université de Rennes I. Cet ouvrage est le fruit et l’extension de l’expérience qu’il a acquise en travaillant dans l’industrie photovoltaïque.

Nicolas Richet

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ichetLes cellules photovoltaïques en silicium

: théorie et fabrication

Les cellules photovoltaïques en silicium :théorie et fabrication

Les cellules photovoltaïques en silicium : théorie et fabrication

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Nicolas Richet

Les cellules photovoltaïquesen silicium :

théorie et fabrication

Imprimé en France

Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservéspour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3de l’article 41, d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservéesà l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective », et d’autrepart, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration,« toute représentation intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l’auteurou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (alinéa 1er de l’article 40). Cettereprésentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait doncune contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal.

© EDP Sciences 2016

ISBN : 978-2-7598-1823-3

“remerciements” — 2016/6/29 — 14:54 — page iii — #1

Remerciements

L’auteur remercie vivement le professeur C. Ballif (université de Neuchâtel, Suisse)d’avoir bien voulu préfacer son ouvrage.Il sait gré à J. Werner et J. Geissbühler (université de Neuchâtel, Suisse) pour leurrelecture attentive de son texte.Pour l’intérêt qu’ils ont porté à son ouvrage par les documents qu’ils lui ont aima-blement transmis, il est reconnaissant envers V. Afanas’ev (université de Louvain,Belgique), R. Artigas (universitat polytècnica de Catalunya, Espagne), A. Bentzen(société REC Solar, Norvège), A. Blakers (Australian National University), A. Blum(Universität des Saarlandes, Allemagne), F. Boucard (université Louis Pasteur),D.Z. Dimitrov (Industrial Technology Research Institute, Taïwan), A. Goodrich(The National Renewable Energy Laboratory, États-Unis), M. Hofmann (UniversitätKonstanz, Allemagne), R. Khandelwal (société ASML, Allemagne), K. Mc Intosh(société PV Lighthouse, Australie), Byungsul Min (Institut für Solarenergiefor-schung Hameln, Allemagne), M. Moreno (Instituto nacional de astrofísica, óptica yedectrónica, Mexique), H.G.G. Philipsen (Universiteit Utrecht, Pays-Bas),U. Plachetka (AMO GmbH, Allemagne), S. Olibet et S. de Wolf (université deNeuchâtel, Suisse), B. Hoex, M. Green et A. Lennon (University of new SouthWales, Australie), R. Finger (NREL, États-Unis), A. Sow (société Silicontile),B. Thaidigsmann, F. Clement, S. Glunz et D. Biro (Fraunhofer Institut ISE,Allemagne), S. Tohoda (société Panasonic, Japon), Z.R. Abrams, Xiang Zhang etK.L. Wang (University of California, États-Unis) et I. Zubel (PolitechnikaWrocławska, Pologne).

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Table des matières

Remerciements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii

Préface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix

Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Partie I • Présentation et fonctionnement des cellules solaires standarden silicium massif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Chapitre 1 • Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Chapitre 2 • Représentation de l’énergie dans un semi-conducteur . . . . . . . 13

2.1 Bandes d’énergie et bande interdite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2 Schéma de bandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Chapitre 3 • Absorption de photons par le silicium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

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Chapitre 4 • Courants d’électrons et de trous . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Chapitre 5 • Concentrations d’électrons et de trous . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5.1 Jonction p/n en équilibre thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5.2 Jonction p/n hors équilibre thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Chapitre 6 • Zone de charge d’espace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

6.1 Zone de charge d’espace en équilibre thermique . . . . . . . . . . . . . . . . 37

6.2 Zone de charge d’espace hors équilibre thermique . . . . . . . . . . . . . . 42

Chapitre 7 • Recombinaisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

7.1 Calcul des recombinaisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

7.2 Recombinaisons radiatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

7.3 Recombinaisons d’Auger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

7.4 Recombinaisons de Shockley-Read-Hall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

7.5 Recombinaisons surfaciques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Chapitre 8 • Caractéristiques d’une cellule solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

Chapitre 9 • Modélisation électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

9.1 Hors équilibre thermique et à l’ombre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

9.1.1 Circuit à une diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

9.1.2 Circuits à diodes en parallèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

9.1.3 Courants pour une cellule éclairée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

9.2 Régime transitoire pour une cellule à l’ombre et une cellule éclairée 72

Chapitre 10 • Prédominance du silicium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Partie II • Étude d’une cellule solaire et des étapes de sa fabrication . . . . 83

Chapitre 11 • Processus de formation des cellules solaires et fabricationdes plaquettes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

11.1 Les quatre catégories de cellules solaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

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Table des matières

11.2 Étapes de fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

11.3 Fabrication des plaquettes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Chapitre 12 • Texture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

12.1 Microtexturation chimique par voie humide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

12.1.1 Cellules solaires monocristallines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

12.1.2 Cellules solaires multicristallines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

12.2 Nanotexturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

12.2.1 Nanotexturation par gravure ionique réactive (ReactiveIonic Etching, RIE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

12.2.2 Nanotexturation par Na2S2O8 et particules d’argent . . . . . . 105

12.2.3 Nanotexturation par lithographie et impressionnanométrique aux UV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

12.3 Effets secondaires électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

12.4 Comparaisons entre texturations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

Chapitre 13 • Diffusion des atomes dopants dans le substrat . . . . . . . . . . . . 115

13.1 Lacunes et auto-interstitiels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

13.2 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

13.2.1 Diffusion des défauts ponctuels natifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

13.2.2 Auto-diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

13.2.3 Grandeurs macroscopiques de la diffusion . . . . . . . . . . . . . . . 120

13.2.4 Méthodes de diffusion et de piégeage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

13.3 Procédé de diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

Chapitre 14 • Passivation de la cellule solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

14.1 Fondements de la passivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

14.2 Passivation à l’avant par dépôt de couches sur le silicium . . . . . . . . . 132

14.2.1 Dioxide de silicium amorphe (SiO2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

14.2.2 Nitrure de silicium (SiNx ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

14.2.3 SiOx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

14.2.4 SiCx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

14.2.5 Alumine (Al2O3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

14.2.6 Couches intermédiaires en silicium amorphe intrinsèqueet dopé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

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14.3 Passivation par un champ de surface arrière(Back Surface Field, BSF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Chapitre 15 • Couches anti-reflet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

15.1 Calculs d’intensité lumineuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

15.1.1 Méthode des matrices de transfert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

15.1.2 Méthode de radiation nette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

Chapitre 16 • Collecteurs et bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

16.1 Conduction et modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

16.2 Métallisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

16.2.1 Métallisation à l’avant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

16.2.2 Métallisation à l’arrière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

Chapitre 17 • Isolation électrique de la cellule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

Chapitre 18 • Les cellules du futur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

18.1 Cellule à emetteur et face arrière passivés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

18.2 Cellule traversée par des connecteurs métalliques (Metal WrapThrough Solar Cell, MWT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

18.3 Cellule à émetteur et face arrière passivés et traversée par desconnecteurs métalliques (PERC-MWT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

18.4 Cellule traversée par des émetteurs cylindriques (EmitterWrap-Through Solar Cells , EWT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

18.5 Cellule à substrat fritté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

18.6 Cellules à substrat de type n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

18.6.1 Jonction arrière en alliage d’aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

18.6.2 Cellules à émetteur avant créé par diffusion de bore . . . . . . . 173

18.6.3 Cellule contactée à l’arrière avec une jonction obtenue pardiffusion de bore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

18.6.4 Hétérojonctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

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Préface

Par essence, le « photovoltaïque » est un domaine multidisciplinaire, qui requiertdes compétences dans un nombre de domaines impressionnant : chimie, phy-sique, science des matériaux, optique, technologies de productions. Ces compétencesdoivent relever d’une maîtrise exemplaire du sujet. La force de la technologie domi-nante, basée sur des plaquettes de silicium, est liée, entre autres, à la possibilité dedécoupler en six les grandes étapes de fabrication « du sable jusqu’au module ». Cesétapes peuvent être optimisées pratiquement indépendamment les unes des autres :préparation et purification du polysilicium, croissance de lingots monocristallinsou multicristallins, sciage des lingots pour l’obtention des plaquettes de silicium,transformation de la plaquette en une cellule solaire fonctionnelle, et finalement as-semblage des cellules en modules. Chacune de ces étapes comporte typiquement dixà vingt sous-étapes offrant chacune de nombreuses possibilités d’amélioration ou desubstitution. Si les étapes de fabrications sont découplées, elles n’en sont pas moinsinterdépendantes : la qualité du polysilicium et le processus de cristallisation peuventfortement influencer le rendement d’une cellule, les défaux induits par le sciage né-cessitent une adaptation du procédé de texturisation des plaquettes, la diffusion etl’hydrogénation de la cellule peuvent améliorer les propriétés de la plaquette. Fina-lement toute la chaîne va influencer la performance du module solaire en conditionréelle, y compris les possibles dégradations du rendement avec le temps, et la duréede vie du module. La maîtrise de l’ensemble de la chaîne est essentielle pour arriverà des coûts bas de production du courant solaire.

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La fabrication de la cellule solaire occupe une place particulièrement importanteau cœur de cette chaîne, puisque c’est elle qui va déterminer les caractéristiques dumodule. Augmenter le rendement d’une cellule solaire est un point essentiel, car, àutilisation équivalente par mètre carré de silicium et de matériaux d’encapsulation,il permet de faire baisser les prix par watt crête des matériaux utilisés. Les prix desmatériaux limiteront, in fine, les coûts de production atteignables.

Le livre de Nicolas Richet est donc, à juste titre, centré autour de la cellule solaire, deson fonctionnement, et sur la description et l’analyse des procédés de fabrication. Ilintroduit, dans un premier temps, de manière complète la théorie et les équations debase qui décrivent la jonction p-n, avec ses effets de bord. Il permet au lecteur, étudiantou ingénieur, de se familiariser rapidement avec des concepts clés tels le temps de viedes porteurs dans le silicium ou les recombinaisons surfaciques, paramètres critiquespour le rendement de la cellule. Dans la deuxième partie de son livre, il s’attaqueaux procédés de fabrication de la cellule, en traitant plus en détail les parties detexturisation des plaquettes de silicium, de la diffusion et des procédés de piégeagesdes impuretés (gettering ), de passivation de surface par les techniques modernes derevêtements, et de la mise en application des contacts métalliques avec les pâtes desérigraphie. En combinant la mise en avant d’aspects pratiques et plus théoriques pourchacune de ces sous-étapes de fabrication, le livre permet donc au lecteur d’acquérirrapidement une bonne compréhension de la technologie et de la science des cellulessolaires au silicium cristallin. Finalement le dernier chapitre, montre la multitudede voies possibles pour augmenter le rendement des dispositifs, que cela soit demanière incrémentale, i.e. en ajoutant quelques étapes de fabrication comme dansla technologie dite « PERC » qui inclut une passivation et des contacts métalliqueslocaux à l’arrière, soit de manière plus drastique en introduisant des dispositifs avecdes contacts électriques dits « passivants », soit encore en ramenant tous les contactsélectriques à l’arrière de la cellule pour éviter les pertes par ombrage.

S’il est difficile de dire à quelle vitesse les architectures des cellules cristallines vontévoluer dans l’industrie, le chemin est cependant bien connu. Il s’agit de minimiserles pertes induites par la présence d’interfaces directes entre les métaux de contact etle silicium. Une bonne partie de l’industrie réadapte ses lignes de production vers lestechnologies de type PERC, alors que les fabricants qui entrent dans la course avecdes capitaux frais seront tentés de le faire avec des technologies de contact passivant,combinant des oxides fin et du polysicium ou utilisant du silicium amorphe commedans les cellules à hétérojonctions. Ces contacts permettent d’éviter le lien directentre le métal et le semiconducteur et rendent possible l’extraction d’un maximumd’énergie par électron photo-excité. Sur le long terme, les contacts de type passivantpermettent de se rapprocher de la limite de rendement du silicium cristallin, esti-mée aujourd’hui à 29,4 % en fonction des paramètres de matériau du silicium [1].L’introduction, en masse, de ces nouvelles technologies devrait permettre de faireencore baisser les coûts de production des panneaux solaires en $/Wc, avec des coûtsde l’ordre de 0,35 à 0,4 $/W envisageable. Un abaissement significatif de ces coûtsnécessitera sans doute le passage à des cellules à jonction multiple, avec le siliciumcomme cellule à bande interdite. Ces réductions de coûts, couplées à l’augmentation

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“preface” — 2016/4/25 — 18:13 — page xi — #3

Préface

du rendement des panneaux qui diminue les frais de systèmes, feront du solaire unedes sources d’électricité les moins chères avec du kWh à quelques centimes. Le défisera, à grande échelle, de gérer cette électricité, de la stocker, voire de la transformeren gaz ou en combustible liquide. Plus qu’un défi, c’est une nécessité, si l’on veutdonner aux générations futures une chance de vivre dans un monde durable. Je n’aipas de doute que les lecteurs du livre de Nicolas Richet y contribueront.

Christophe Ballif, Professeur à l’École Polytechnique de Lausanne,directeur du PV-Lab et du PV-center, Neuchâtel

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“introduction” — 2016/5/18 — 18:19 — page 1 — #1

Introduction

Depuis plus d’un milliard d’années, la lumière est la source d’énergie exploitée parles plantes chlorophyliennes via la photosynthèse où une série complexe de trans-ferts d’électrons conduit à transformer en matière organique le gaz carbonique etl’eau absorbés. Pour exploiter cette énergie lumineuse afin de produire un courantélectrique, les cellules solaires font appel à un mécanisme bien plus simple puisquequ’il est purement physique. Alors que dans les années 1950, les cellules servaientprincipalement à l’alimentation de satellites, le problème toujours plus importantde la production d’énergie leur a conféré une importance croissante depuis la pre-mière crise pétrolière. Les cellules ont donc été grandement améliorées, continuentà l’être et de nouveaux types sont toujours conçus dans un cadre où la recherche viseà minimiser les coûts de production et à maximiser le rendement de conversion.

À cet égard, les cellules en silicium massif, dites standard , dominent à l’heure actuellele marché et elles continueront à le faire dans un futur prévisible. C’est pourquoi ellesfont l’objet de ce livre. Leur principe peut être simplement résumé. Avec l’énergiecédée par des photons du rayonnement solaire, des électrons d’une cellule sont por-tés à des niveaux d’énergie plus élevés en laissant des trous électroniques, de chargepositive. Électrons et trous se déplacent alors chacun dans un sens vers les deux facesopposées de la cellule entre lesquelles apparaît ainsi la différence de potentiel néces-saire à la création de courant. Mettre en pratique ces principes de manière efficacesignifie maximiser l’absorption de l’énergie des photons par les électrons et faire

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diffuser électrons et trous vers les deux faces de la cellule sans qu’ils se recombinenten dissipant alors en chaleur l’énergie précédemment acquise. En outre, c’est aumoyen de dopage en ions positifs et négatifs de deux couches de silicium constituantla cellule que la proportion d’électrons susceptibles d’être excités est non seulementaccrue considérablement par rapport à ce qu’elle serait dans du silicium pur, maisqu’un potentiel électrostatique est en même temps créé pour assurer les gradients dediffusion de directions opposées voulus pour les électrons et les trous.

Alors que les divers aspects des cellules solaires en silicium sont décrits dans d’excel-lents ouvrages en anglais, la littérature en français sur la question est encore lacunaire.Le but du présent livre est de brosser un tableau complet de cette technologie pouren comprendre le fonctionnement et en apprécier correctement les potentialités. Enpartant des mécanismes électroniques impliqués dans la conversion photovoltaïquepour aller jusqu’à la conception et la fabrication des cellules, trois parties décriventsuccessivement la physique des cellules solaires en silicium, les différentes étapes deleur production, et les perfectionnements qui leur sont actuellement apportés ou leseront à court terme. Pour approfondir chacun des thèmes traités, le lecteur pourra parailleurs se référer aux diverses publications citées dans chaque chapitre, qui donnentun panorama représentatif des nombreux travaux effectués aussi bien en matière deconception que de fabrication des cellules en silicium. En préambule, il est cepen-dant utile de présenter brièvement l’histoire des cellules et des effets photovoltaïquesqu’elles mettent en œuvre.

Histoire

Le premier effet photovoltaïque fut observé en 1839 par E. Becquerel [2]. En étudiantl’influence de la lumière sur la réactivité de deux liquides, il remarqua qu’une faibledifférence de potentiel apparaît entre deux électrodes de platine inégalement éclairéespar le soleil. Fortuitement, W. Smith découvrit ensuite en 1873 la photoconductivitédu sélenium alors qu’il était à la recherche de matériaux très résistifs dans ses travaux detransmission de signal par les câbles télégraphiques sous-marins [21]. Cette propriétéinédite du sélénium suscita de nombreux travaux, dont ceux de C. E. Fritts en 1883 àqui l’on prête souvent indûment l’invention de la première cellule solaire [8]. Certes,Fritts observa que la résistance d’une pile au sélénium varie considérablement enfonction de son éclairement (et du mode de préparation du sélénium employé),mais il n’entrevit aucune application de son dispositif à la production d’électricité.Les premiers pas dans cette direction furent accomplis par H. Hertz en 1887 quiremarqua que les rayons ultraviolets provoquent la décharge d’un transformateur àinduction [12], et par A. Stoletow en 1888 qui observa une proportionnalité entrel’intensité de la source lumineuse et celle du courant créé par des électrodes en zincet en cuivre [22]. Il fallut cependant attendre la découverte de l’électron en 1897 parJ. J. Thomson [23] et la notion de quantification de l’énergie lumineuse introduiteen 1905 par Einstein dans sa théorie de l’effet photoélectrique [6] pour pouvoir jeterles fondements théoriques de la conversion de lumière en électricité. L’hypothèse

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Introduction

des quanta permit à Einstein de décrire correctement la distribution d’énergie desélectrons détachés d’une surface métallique par la lumière.

Bien plus tard, en cherchant à remplacer les ampoules des diodes par des cristaux, R.Ohl comprit que la pureté de ces derniers était un facteur crucial pour un fonction-nement reproductible. Accidentellement, il découvrit en 1939 l’effet de la lumièresur un cristal de silicium dont la teneur en impuretés était hétérogène. Il observadonc les propriétés de ce qu’on appelle aujourd’hui une jonction p-n. S’il ouvrit ainsila voie à l’invention du transistor, Ohl conçut lui-même le premier type modernede cellule solaire qu’il breveta en 1941 [18]. Les recherches entreprises par la suiteconduisirent à la production par Chapin et co-auteurs en 1954 des premières cellulessolaires stables en silicium monocristallin, qui avaient un rendement de conversionde 6 % [5]. En 1955, Prince publia la première étude analytique des cellules avantd’organiser leur production industrielle l’année suivante [19] ; Loferski montra lamême année que le silicium faisait partie des matériaux optimaux pour la conversionphotovoltaïque [14].

Le premier emploi notable des cellules solaires consista en 1958 à fournir l’électricitéau satellite Vanguard I, avec un rendement d’environ 8 % dans l’espace [4]. Jusqu’en1973, seuls les programmes spatiaux soutinrent de fait la recherche sur les cellules ;l’effort visait à les rendre plus performantes, légères et sûres dans un cadre où les coûtsde production étaient une préoccupation secondaire [24]. En 1972, un rendementde conversion dans l’espace de 13 % fut atteint en améliorant la résistance aux rayonsintersidéraux par une inversion des couches p-n de silicium, en élargissant le domained’absorption aux ondes courtes par diminution de l’épaisseur de la couche supérieurede la cellule, et en augmentant le nombre de barreaux collecteurs d’électron à sa surfaceavant [13 ; 24]. De nouveaux perfectionnements portèrent en 1975 le rendementà 15 % [3 ; 20]. Il s’agissait de l’introduction d’un champ magnétique orientantles électrons dans la cellule [15 ; 17], et de la formation d’une surface rugueuse àla face avant de la cellule pour mieux absorber le rayonnement [11]. Réfléchir lalumière parvenant au fond de la cellule pour la lui faire retraverser augmenta encorele rendement à 16 % dans l’espace [24].

Ayant jusqu’alors peu retenu l’attention en raison de leur coût de production élévé, lesapplications terrestres des cellules solaires commencèrent à bénéficier de recherchesimportantes à la suite des crises pétrolières des années 1970, parce que leur coût avaitjusqu’alors été un frein à leur production à grande échelle. À cet effet, l’emploi desilicium polycristallin fut mis au point en 1974 ; si ce matériau est de moins bonnequalité que le silicium monocristallin, il permet de produire par moulage des cellulesbeaucoup moins onéreuses, de sorte qu’en l’an 2012 ces dernières représentaient plusde la moitié des cellules en silicium produites [7]. L’introduction de bornes impriméesdans le processus de production, pour remplacer les procédés de photolithographiepar masque et de dépôt sous vide, a permis une grande économie de production en1975 [24]. D’autres modes de production du silicium multicristallin, par ruban, ontensuite été mis au point en 1980 pour améliorer aussi la productivité. Au début desannées 1980, on s’est par ailleurs particulièrement attaché à faire diminuer le tauxde recombinaison, en déposant une couche de SiO2 sur la face avant. Un rendement

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Figure 1.1. Évolution du rendement des cellules solaires monocristalline et multicristalline enfonction du temps, d’après [10].

de 19 % fut ainsi atteint en 1985 [9]. Une amélioration de la structure internedes cellules visant à optimiser les déplacements des électrons a ensuite permis deconvertir 24 % de l’énergie lumineuse en 1995 [25]. Les améliorations du rendementdes meilleures cellules ont été minimes depuis lors mais le rendement des cellulesfabriquées industriellement croît toujours. Aussi, depuis 1980, le prix du courantissu de cellules a été divisé par 50 [16].

Ce bref historique montre donc que, quelle que soit leur nature, les améliorationsapportées aux cellules solaires ont reposé sur une maîtrise toujours croissante desprincipes physiques et chimiques mis en jeu dans la conception et la fabrication descellules. Ce fait justifie donc l’importance accordée dans la première partie de cetouvrage aux fondements théoriques des cellules solaires.

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Partie I

Présentationet fonctionnement

des cellules solairesstandard en silicium massif

“chap1” — 2016/6/16 — 19:51 — page 7 — #1

Principe

Dans une cellule solaire, un flux lumineux produit à chaque instant un courantélectrique lorsque des photons transfèrent leurs énergies à des électrons. Chaqueélectron excité par un photon se meut alors vers une face de la cellule en laissant untrou, un déficit de charges négatives dans le réseau cristallin. Après avoir atteint cetteface, les électrons entrent dans le circuit électrique branché à la cellule. Les trous sontmenés à l’autre face et disparaissent par recombinaison avec les électrons arrivant ducircuit. Un courant électrique est ainsi créé. Ces mécanismes vont être décrits dansce premier chapitre.

Une cellule standard a pour substrat une plaquette en silicium cristallin dopée par desatomes étrangers (Fig. 1.1). Ce silicium est qualifié d’extrinsèque par opposition ausilicium pur, dit intrinsèque. La plaquette est dopée inégalement dans son épaisseurafin de conférer une dissymétrie à ses propriétés électriques telle qu’un courant puisseêtre généré. Habituellement, un premier dopage p (pour positif ) est effectué dans toutle substrat avec des atomes trivalents ; comme le silicium est lui-même tétravalent,l’introduction de ces dopants produit des trous1 qui peuvent être emplis par desélectrons cédés par le silicium (Fig. 1.1 a). Un second dopage n (pour négatif )est effectué sur une face seulement du substrat avec des atomes pentavalents quipeuvent chacun donner un électron au réseau cristallin (Fig. 1.1 b). Pour des raisons

1 Tout comme des anions et des cations se déplacent dans une batterie, des électrons et destrous se déplacent dans le silicium. Ils assurent la neutralité électrique de l’ensemble.

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“index” — 2016/6/29 — 15:04 — page 208 — #4

en fonction de la température, 18

P

paire défaut/dopant, 100

passivation, 109

pentavalent, 11

PERC, 135

PERL, 136

pertes, 67

phosphore, 11

photon absorption, 19

condition de transfert d’énergie, 15

piégeage, 96

ponctuel, 96

porteur de chargemajoritaire, 12

minoritaire, 12

potentiel électrochimique, 26

chimique, 26

première loi de Fick, 25

Q

quasi-énergie de Fermi, 27

R

radiation nette, 120

recombinaisond’Auger, 39

définition, 38

de Shockley-Read-Hall, 42

radiative, 39

surfacique, 44

régime transitoire d’une cellule, 59

relations d’Einstein, 26

rendement d’une cellule, 47

de tous les types decellule -évolution entre 1975et 2015, 67

évolution entre 1940 et 2010, 8

maximal, 64

meilleurs, 64

rendement quantiqueexterne, 49

interne, 49

réponse spectrale, 48

résistivité, 49

RISE-EWT, 139

S

schéma de bandes, 17

siliciumextrinsèque, 11

fritté, 139

intrinsèque, 11

types, 77

spectre solaire, 62

substitutionnel, 96

T

tauxde génération, 38

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“index” — 2016/6/29 — 15:04 — page 209 — #5

Index

de recombinaison, 38

tensionà circuit ouvert, 47

de diffusion, 35

texture, 78

types, 79

transition directe, 16

indirecte, 16

du silicium, 19

trivalent, 11

trou, 11

Z

zone de charge d’espace, 11

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les cellules photovoltaïques en silicium : théorie et

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