les cellules photovoltaïques en silicium : théorie et
Embed Size (px)
TRANSCRIPT
U:\NC\EDP\book\Cellules\chap_1\chap1.dviQuinteSciences
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
: théorie et fabrication
9782759818273-COUV.indd 1 30/06/2016 16:49
Nicolas Richet
théorie et fabrication
Imprimé en France
Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective », et d’autre part, 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’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (alinéa 1er de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal.
© EDP Sciences 2016
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 leur relecture 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 (Universität Konstanz, 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 y edectrónica, Mexique), H.G.G. Philipsen (Universiteit Utrecht, Pays-Bas), U. Plachetka (AMO GmbH, Allemagne), S. Olibet et S. de Wolf (université de Neuchâtel, Suisse), B. Hoex, M. Green et A. Lennon (University of new South Wales, 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 et K.L. Wang (University of California, États-Unis) et I. Zubel (Politechnika Wrocawska, Pologne).
iii
Table des matières
Partie I • Présentation et fonctionnement des cellules solaires standard en 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
v
Les cellules photovoltaïques en silicium : théorie et fabrication
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
7.2 Recombinaisons radiatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7.5 Recombinaisons surfaciques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
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 fabrication des plaquettes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
11.1 Les quatre catégories de cellules solaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
vi
Table des matières
Chapitre 12 • Texture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
12.1.1 Cellules solaires monocristallines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
12.1.2 Cellules solaires multicristallines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
12.2 Nanotexturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
12.2.3 Nanotexturation par lithographie et impression nanométrique 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
13.2.2 Auto-diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
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
14.2.6 Couches intermédiaires en silicium amorphe intrinsèque et dopé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
vii
Les cellules photovoltaïques en silicium : théorie et fabrication
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
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 Wrap Through Solar Cell, MWT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
18.3 Cellule à émetteur et face arrière passivés et traversée par des connecteurs métalliques (PERC-MWT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
18.4 Cellule traversée par des émetteurs cylindriques (Emitter Wrap-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 par diffusion de bore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
18.6.4 Hétérojonctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Préface
Par essence, le « photovoltaïque » est un domaine multidisciplinaire, qui requiert des compétences dans un nombre de domaines impressionnant : chimie, phy- sique, science des matériaux, optique, technologies de productions. Ces compétences doivent 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 de découpler en six les grandes étapes de fabrication « du sable jusqu’au module ». Ces étapes peuvent être optimisées pratiquement indépendamment les unes des autres : préparation et purification du polysilicium, croissance de lingots monocristallins ou 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 dix à vingt sous-étapes offrant chacune de nombreuses possibilités d’amélioration ou de substitution. Si les étapes de fabrications sont découplées, elles n’en sont pas moins interdépendantes : la qualité du polysilicium et le processus de cristallisation peuvent fortement influencer le rendement d’une cellule, les défaux induits par le sciage né- cessitent une adaptation du procédé de texturisation des plaquettes, la diffusion et l’hydrogénation de la cellule peuvent améliorer les propriétés de la plaquette. Fina- lement toute la chaîne va influencer la performance du module solaire en condition réelle, y compris les possibles dégradations du rendement avec le temps, et la durée de vie du module. La maîtrise de l’ensemble de la chaîne est essentielle pour arriver à des coûts bas de production du courant solaire.
ix
Les cellules photovoltaïques en silicium : théorie et fabrication
La fabrication de la cellule solaire occupe une place particulièrement importante au cœur de cette chaîne, puisque c’est elle qui va déterminer les caractéristiques du module. Augmenter le rendement d’une cellule solaire est un point essentiel, car, à utilisation 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 des matériaux limiteront, in fine, les coûts de production atteignables.
Le livre de Nicolas Richet est donc, à juste titre, centré autour de la cellule solaire, de son fonctionnement, et sur la description et l’analyse des procédés de fabrication. Il introduit, dans un premier temps, de manière complète la théorie et les équations de base qui décrivent la jonction p-n, avec ses effets de bord. Il permet au lecteur, étudiant ou ingénieur, de se familiariser rapidement avec des concepts clés tels le temps de vie des porteurs dans le silicium ou les recombinaisons surfaciques, paramètres critiques pour le rendement de la cellule. Dans la deuxième partie de son livre, il s’attaque aux procédés de fabrication de la cellule, en traitant plus en détail les parties de texturisation des plaquettes de silicium, de la diffusion et des procédés de piégeages des impuretés (gettering ), de passivation de surface par les techniques modernes de revêtements, et de la mise en application des contacts métalliques avec les pâtes de sérigraphie. En combinant la mise en avant d’aspects pratiques et plus théoriques pour chacune de ces sous-étapes de fabrication, le livre permet donc au lecteur d’acquérir rapidement une bonne compréhension de la technologie et de la science des cellules solaires au silicium cristallin. Finalement le dernier chapitre, montre la multitude de voies possibles pour augmenter le rendement des dispositifs, que cela soit de manière incrémentale, i.e. en ajoutant quelques étapes de fabrication comme dans la technologie dite « PERC » qui inclut une passivation et des contacts métalliques locaux à l’arrière, soit de manière plus drastique en introduisant des dispositifs avec des contacts électriques dits « passivants », soit encore en ramenant tous les contacts électriques 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 vont évoluer dans l’industrie, le chemin est cependant bien connu. Il s’agit de minimiser les pertes induites par la présence d’interfaces directes entre les métaux de contact et le silicium. Une bonne partie de l’industrie réadapte ses lignes de production vers les technologies de type PERC, alors que les fabricants qui entrent dans la course avec des 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 comme dans les cellules à hétérojonctions. Ces contacts permettent d’éviter le lien direct entre le métal et le semiconducteur et rendent possible l’extraction d’un maximum d’énergie par électron photo-excité. Sur le long terme, les contacts de type passivant permettent 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 faire encore baisser les coûts de production des panneaux solaires en $/Wc, avec des coûts de l’ordre de 0,35 à 0,4 $/W envisageable. Un abaissement significatif de ces coûts nécessitera sans doute le passage à des cellules à jonction multiple, avec le silicium comme cellule à bande interdite. Ces réductions de coûts, couplées à l’augmentation
x
Préface
du rendement des panneaux qui diminue les frais de systèmes, feront du solaire une des sources d’électricité les moins chères avec du kWh à quelques centimes. Le défi sera, à grande échelle, de gérer cette électricité, de la stocker, voire de la transformer en gaz ou en combustible liquide. Plus qu’un défi, c’est une nécessité, si l’on veut donner aux générations futures une chance de vivre dans un monde durable. Je n’ai pas 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
xi
Introduction
Depuis plus d’un milliard d’années, la lumière est la source d’énergie exploitée par les plantes chlorophyliennes via la photosynthèse où une série complexe de trans- ferts d’électrons conduit à transformer en matière organique le gaz carbonique et l’eau absorbés. Pour exploiter cette énergie lumineuse afin de produire un courant électrique, les cellules solaires font appel à un mécanisme bien plus simple puisque qu’il est purement physique. Alors que dans les années 1950, les cellules servaient principalement à l’alimentation de satellites, le problème toujours plus important de la production d’énergie leur a conféré une importance croissante depuis la pre- mière crise pétrolière. Les cellules ont donc été grandement améliorées, continuent à l’être et de nouveaux types sont toujours conçus dans un cadre où la recherche vise à 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 actuelle le marché et elles continueront à le faire dans un futur prévisible. C’est pourquoi elles font l’objet de ce livre. Leur principe peut être simplement résumé. Avec l’énergie cédée 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 charge positive. Électrons et trous se déplacent alors chacun dans un sens vers les deux faces opposées 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 efficace signifie maximiser l’absorption de l’énergie des photons par les électrons et faire
1
Les cellules photovoltaïques en silicium : théorie et fabrication
diffuser électrons et trous vers les deux faces de la cellule sans qu’ils se recombinent en dissipant alors en chaleur l’énergie précédemment acquise. En outre, c’est au moyen de dopage en ions positifs et négatifs de deux couches de silicium constituant la cellule que la proportion d’électrons susceptibles d’être excités est non seulement accrue considérablement par rapport à ce qu’elle serait dans du silicium pur, mais qu’un potentiel électrostatique est en même temps créé pour assurer les gradients de diffusion 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 pour en comprendre le fonctionnement et en apprécier correctement les potentialités. En partant des mécanismes électroniques impliqués dans la conversion photovoltaïque pour aller jusqu’à la conception et la fabrication des cellules, trois parties décrivent successivement la physique des cellules solaires en silicium, les différentes étapes de leur production, et les perfectionnements qui leur sont actuellement apportés ou le seront à court terme. Pour approfondir chacun des thèmes traités, le lecteur pourra par ailleurs se référer aux diverses publications citées dans chaque chapitre, qui donnent un panorama représentatif des nombreux travaux effectués aussi bien en matière de conception que de fabrication des cellules en silicium. En préambule, il est cepen- dant utile de présenter brièvement l’histoire des cellules et des effets photovoltaïques qu’elles mettent en œuvre.
Histoire
Le premier effet photovoltaïque fut observé en 1839 par E. Becquerel [2]. En étudiant l’influence de la lumière sur la réactivité de deux liquides, il remarqua qu’une faible différence de potentiel apparaît entre deux électrodes de platine inégalement éclairées par le soleil. Fortuitement, W. Smith découvrit ensuite en 1873 la photoconductivité du sélenium alors qu’il était à la recherche de matériaux très résistifs dans ses travaux de transmission de signal par les câbles télégraphiques sous-marins [21]. Cette propriété inédite du sélénium suscita de nombreux travaux, dont ceux de C. E. Fritts en 1883 à qui 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 en fonction 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 qui remarqua que les rayons ultraviolets provoquent la décharge d’un transformateur à induction [12], et par A. Stoletow en 1888 qui observa une proportionnalité entre l’intensité de la source lumineuse et celle du courant créé par des électrodes en zinc et en cuivre [22]. Il fallut cependant attendre la découverte de l’électron en 1897 par J. J. Thomson [23] et la notion de quantification de l’énergie lumineuse introduite en 1905 par Einstein dans sa théorie de l’effet photoélectrique [6] pour pouvoir jeter les fondements théoriques de la conversion de lumière en électricité. L’hypothèse
2
Introduction
des quanta permit à Einstein de décrire correctement la distribution d’énergie des électrons 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 lumière sur un cristal de silicium dont la teneur en impuretés était hétérogène. Il observa donc les propriétés de ce qu’on appelle aujourd’hui une jonction p-n. S’il ouvrit ainsi la voie à l’invention du transistor, Ohl conçut lui-même le premier type moderne de cellule solaire qu’il breveta en 1941 [18]. Les recherches entreprises par la suite conduisirent à la production par Chapin et co-auteurs en 1954 des premières cellules solaires stables en silicium monocristallin, qui avaient un rendement de conversion de 6 % [5]. En 1955, Prince publia la première étude analytique des cellules avant d’organiser leur production industrielle l’année suivante [19] ; Loferski montra la même année que le silicium faisait partie des matériaux optimaux pour la conversion photovoltaïque [14].
Le premier emploi notable des cellules solaires consista en 1958 à fournir l’électricité au satellite Vanguard I, avec un rendement d’environ 8 % dans l’espace [4]. Jusqu’en 1973, 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 coûts de production étaient une préoccupation secondaire [24]. En 1972, un rendement de conversion dans l’espace de 13 % fut atteint en améliorant la résistance aux rayons intersidéraux par une inversion des couches p-n de silicium, en élargissant le domaine d’absorption aux ondes courtes par diminution de l’épaisseur de la couche supérieure de la cellule, et en augmentant le nombre de barreaux collecteurs d’électron à sa surface avant [13 ; 24]. De nouveaux perfectionnements portèrent en 1975 le rendement à 15 % [3 ; 20]. Il s’agissait de l’introduction d’un champ magnétique orientant les électrons dans la cellule [15 ; 17], et de la formation d’une surface rugueuse à la face avant de la cellule pour mieux absorber le rayonnement [11]. Réfléchir la lumière parvenant au fond de la cellule pour la lui faire retraverser augmenta encore le rendement à 16 % dans l’espace [24].
Ayant jusqu’alors peu retenu l’attention en raison de leur coût de production élévé, les applications terrestres des cellules solaires commencèrent à bénéficier de recherches importantes à la suite des crises pétrolières des années 1970, parce que leur coût avait jusqu’alors été un frein à leur production à grande échelle. À cet effet, l’emploi de silicium polycristallin fut mis au point en 1974 ; si ce matériau est de moins bonne qualité que le silicium monocristallin, il permet de produire par moulage des cellules beaucoup moins onéreuses, de sorte qu’en l’an 2012 ces dernières représentaient plus de la moitié des cellules en silicium produites [7]. L’introduction de bornes imprimées dans le processus de production, pour remplacer les procédés de photolithographie par masque et de dépôt sous vide, a permis une grande économie de production en 1975 [24]. D’autres modes de production du silicium multicristallin, par ruban, ont ensuite été mis au point en 1980 pour améliorer aussi la productivité. Au début des années 1980, on s’est par ailleurs particulièrement attaché à faire diminuer le taux de recombinaison, en déposant une couche de SiO2 sur la face avant. Un rendement
3
Les cellules photovoltaïques en silicium : théorie et fabrication
Figure 1.1. Évolution du rendement des cellules solaires monocristalline et multicristalline en fonction du temps, d’après [10].
de 19 % fut ainsi atteint en 1985 [9]. Une amélioration de la structure interne des cellules visant à optimiser les déplacements des électrons a ensuite permis de convertir 24 % de l’énergie lumineuse en 1995 [25]. Les améliorations du rendement des meilleures cellules ont été minimes depuis lors mais le rendement des cellules fabriquées industriellement croît toujours. Aussi, depuis 1980, le prix du courant issu de cellules a été divisé par 50 [16].
Ce bref historique montre donc que, quelle que soit leur nature, les améliorations apportées aux cellules solaires ont reposé sur une maîtrise toujours croissante des principes physiques et chimiques mis en jeu dans la conception et la fabrication des cellules. Ce fait justifie donc l’importance accordée dans la première partie de cet ouvrage aux fondements théoriques des cellules solaires.
4
“chap1” — 2016/6/16 — 19:51 — page 7 — #1
Principe
Dans une cellule solaire, un flux lumineux produit à chaque instant un courant électrique lorsque des photons transfèrent leurs énergies à des électrons. Chaque électron excité par un photon se meut alors vers une face de la cellule en laissant un trou, un déficit de charges négatives dans le réseau cristallin. Après avoir atteint cette face, les électrons entrent dans le circuit électrique branché à la cellule. Les trous sont menés à l’autre face et disparaissent par recombinaison avec les électrons arrivant du circuit. Un courant électrique est ainsi créé. Ces mécanismes vont être décrits dans ce premier chapitre.
Une cellule standard a pour substrat une plaquette en silicium cristallin dopée par des atomes étrangers (Fig. 1.1). Ce silicium est qualifié d’extrinsèque par opposition au silicium pur, dit intrinsèque. La plaquette est dopée inégalement dans son épaisseur afin de conférer une dissymétrie à ses propriétés électriques telle qu’un courant puisse être généré. Habituellement, un premier dopage p (pour positif ) est effectué dans tout le 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 des électrons 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 qui peuvent 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 des trous se déplacent dans le silicium. Ils assurent la neutralité électrique de l’ensemble.
7
P
piégeage, 96
ponctuel, 96
minoritaire, 12
Q
relations d’Einstein, 26
rendement d’une cellule, 47
de tous les types de cellule -évolution entre 1975 et 2015, 67
évolution entre 1940 et 2010, 8
maximal, 64
meilleurs, 64
“index” — 2016/6/29 — 15:04 — page 209 — #5
Index
de diffusion, 35
209
Remerciements
Partie I • Présentation et fonctionnement des cellules solaires standard en silicium massif
Chapitre 1 • Principe
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
: théorie et fabrication
9782759818273-COUV.indd 1 30/06/2016 16:49
Nicolas Richet
théorie et fabrication
Imprimé en France
Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective », et d’autre part, 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’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (alinéa 1er de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal.
© EDP Sciences 2016
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 leur relecture 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 (Universität Konstanz, 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 y edectrónica, Mexique), H.G.G. Philipsen (Universiteit Utrecht, Pays-Bas), U. Plachetka (AMO GmbH, Allemagne), S. Olibet et S. de Wolf (université de Neuchâtel, Suisse), B. Hoex, M. Green et A. Lennon (University of new South Wales, 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 et K.L. Wang (University of California, États-Unis) et I. Zubel (Politechnika Wrocawska, Pologne).
iii
Table des matières
Partie I • Présentation et fonctionnement des cellules solaires standard en 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
v
Les cellules photovoltaïques en silicium : théorie et fabrication
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
7.2 Recombinaisons radiatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7.5 Recombinaisons surfaciques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
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 fabrication des plaquettes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
11.1 Les quatre catégories de cellules solaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
vi
Table des matières
Chapitre 12 • Texture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
12.1.1 Cellules solaires monocristallines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
12.1.2 Cellules solaires multicristallines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
12.2 Nanotexturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
12.2.3 Nanotexturation par lithographie et impression nanométrique 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
13.2.2 Auto-diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
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
14.2.6 Couches intermédiaires en silicium amorphe intrinsèque et dopé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
vii
Les cellules photovoltaïques en silicium : théorie et fabrication
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
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 Wrap Through Solar Cell, MWT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
18.3 Cellule à émetteur et face arrière passivés et traversée par des connecteurs métalliques (PERC-MWT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
18.4 Cellule traversée par des émetteurs cylindriques (Emitter Wrap-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 par diffusion de bore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
18.6.4 Hétérojonctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Préface
Par essence, le « photovoltaïque » est un domaine multidisciplinaire, qui requiert des compétences dans un nombre de domaines impressionnant : chimie, phy- sique, science des matériaux, optique, technologies de productions. Ces compétences doivent 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 de découpler en six les grandes étapes de fabrication « du sable jusqu’au module ». Ces étapes peuvent être optimisées pratiquement indépendamment les unes des autres : préparation et purification du polysilicium, croissance de lingots monocristallins ou 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 dix à vingt sous-étapes offrant chacune de nombreuses possibilités d’amélioration ou de substitution. Si les étapes de fabrications sont découplées, elles n’en sont pas moins interdépendantes : la qualité du polysilicium et le processus de cristallisation peuvent fortement influencer le rendement d’une cellule, les défaux induits par le sciage né- cessitent une adaptation du procédé de texturisation des plaquettes, la diffusion et l’hydrogénation de la cellule peuvent améliorer les propriétés de la plaquette. Fina- lement toute la chaîne va influencer la performance du module solaire en condition réelle, y compris les possibles dégradations du rendement avec le temps, et la durée de vie du module. La maîtrise de l’ensemble de la chaîne est essentielle pour arriver à des coûts bas de production du courant solaire.
ix
Les cellules photovoltaïques en silicium : théorie et fabrication
La fabrication de la cellule solaire occupe une place particulièrement importante au cœur de cette chaîne, puisque c’est elle qui va déterminer les caractéristiques du module. Augmenter le rendement d’une cellule solaire est un point essentiel, car, à utilisation 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 des matériaux limiteront, in fine, les coûts de production atteignables.
Le livre de Nicolas Richet est donc, à juste titre, centré autour de la cellule solaire, de son fonctionnement, et sur la description et l’analyse des procédés de fabrication. Il introduit, dans un premier temps, de manière complète la théorie et les équations de base qui décrivent la jonction p-n, avec ses effets de bord. Il permet au lecteur, étudiant ou ingénieur, de se familiariser rapidement avec des concepts clés tels le temps de vie des porteurs dans le silicium ou les recombinaisons surfaciques, paramètres critiques pour le rendement de la cellule. Dans la deuxième partie de son livre, il s’attaque aux procédés de fabrication de la cellule, en traitant plus en détail les parties de texturisation des plaquettes de silicium, de la diffusion et des procédés de piégeages des impuretés (gettering ), de passivation de surface par les techniques modernes de revêtements, et de la mise en application des contacts métalliques avec les pâtes de sérigraphie. En combinant la mise en avant d’aspects pratiques et plus théoriques pour chacune de ces sous-étapes de fabrication, le livre permet donc au lecteur d’acquérir rapidement une bonne compréhension de la technologie et de la science des cellules solaires au silicium cristallin. Finalement le dernier chapitre, montre la multitude de voies possibles pour augmenter le rendement des dispositifs, que cela soit de manière incrémentale, i.e. en ajoutant quelques étapes de fabrication comme dans la technologie dite « PERC » qui inclut une passivation et des contacts métalliques locaux à l’arrière, soit de manière plus drastique en introduisant des dispositifs avec des contacts électriques dits « passivants », soit encore en ramenant tous les contacts électriques 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 vont évoluer dans l’industrie, le chemin est cependant bien connu. Il s’agit de minimiser les pertes induites par la présence d’interfaces directes entre les métaux de contact et le silicium. Une bonne partie de l’industrie réadapte ses lignes de production vers les technologies de type PERC, alors que les fabricants qui entrent dans la course avec des 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 comme dans les cellules à hétérojonctions. Ces contacts permettent d’éviter le lien direct entre le métal et le semiconducteur et rendent possible l’extraction d’un maximum d’énergie par électron photo-excité. Sur le long terme, les contacts de type passivant permettent 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 faire encore baisser les coûts de production des panneaux solaires en $/Wc, avec des coûts de l’ordre de 0,35 à 0,4 $/W envisageable. Un abaissement significatif de ces coûts nécessitera sans doute le passage à des cellules à jonction multiple, avec le silicium comme cellule à bande interdite. Ces réductions de coûts, couplées à l’augmentation
x
Préface
du rendement des panneaux qui diminue les frais de systèmes, feront du solaire une des sources d’électricité les moins chères avec du kWh à quelques centimes. Le défi sera, à grande échelle, de gérer cette électricité, de la stocker, voire de la transformer en gaz ou en combustible liquide. Plus qu’un défi, c’est une nécessité, si l’on veut donner aux générations futures une chance de vivre dans un monde durable. Je n’ai pas 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
xi
Introduction
Depuis plus d’un milliard d’années, la lumière est la source d’énergie exploitée par les plantes chlorophyliennes via la photosynthèse où une série complexe de trans- ferts d’électrons conduit à transformer en matière organique le gaz carbonique et l’eau absorbés. Pour exploiter cette énergie lumineuse afin de produire un courant électrique, les cellules solaires font appel à un mécanisme bien plus simple puisque qu’il est purement physique. Alors que dans les années 1950, les cellules servaient principalement à l’alimentation de satellites, le problème toujours plus important de la production d’énergie leur a conféré une importance croissante depuis la pre- mière crise pétrolière. Les cellules ont donc été grandement améliorées, continuent à l’être et de nouveaux types sont toujours conçus dans un cadre où la recherche vise à 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 actuelle le marché et elles continueront à le faire dans un futur prévisible. C’est pourquoi elles font l’objet de ce livre. Leur principe peut être simplement résumé. Avec l’énergie cédée 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 charge positive. Électrons et trous se déplacent alors chacun dans un sens vers les deux faces opposées 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 efficace signifie maximiser l’absorption de l’énergie des photons par les électrons et faire
1
Les cellules photovoltaïques en silicium : théorie et fabrication
diffuser électrons et trous vers les deux faces de la cellule sans qu’ils se recombinent en dissipant alors en chaleur l’énergie précédemment acquise. En outre, c’est au moyen de dopage en ions positifs et négatifs de deux couches de silicium constituant la cellule que la proportion d’électrons susceptibles d’être excités est non seulement accrue considérablement par rapport à ce qu’elle serait dans du silicium pur, mais qu’un potentiel électrostatique est en même temps créé pour assurer les gradients de diffusion 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 pour en comprendre le fonctionnement et en apprécier correctement les potentialités. En partant des mécanismes électroniques impliqués dans la conversion photovoltaïque pour aller jusqu’à la conception et la fabrication des cellules, trois parties décrivent successivement la physique des cellules solaires en silicium, les différentes étapes de leur production, et les perfectionnements qui leur sont actuellement apportés ou le seront à court terme. Pour approfondir chacun des thèmes traités, le lecteur pourra par ailleurs se référer aux diverses publications citées dans chaque chapitre, qui donnent un panorama représentatif des nombreux travaux effectués aussi bien en matière de conception que de fabrication des cellules en silicium. En préambule, il est cepen- dant utile de présenter brièvement l’histoire des cellules et des effets photovoltaïques qu’elles mettent en œuvre.
Histoire
Le premier effet photovoltaïque fut observé en 1839 par E. Becquerel [2]. En étudiant l’influence de la lumière sur la réactivité de deux liquides, il remarqua qu’une faible différence de potentiel apparaît entre deux électrodes de platine inégalement éclairées par le soleil. Fortuitement, W. Smith découvrit ensuite en 1873 la photoconductivité du sélenium alors qu’il était à la recherche de matériaux très résistifs dans ses travaux de transmission de signal par les câbles télégraphiques sous-marins [21]. Cette propriété inédite du sélénium suscita de nombreux travaux, dont ceux de C. E. Fritts en 1883 à qui 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 en fonction 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 qui remarqua que les rayons ultraviolets provoquent la décharge d’un transformateur à induction [12], et par A. Stoletow en 1888 qui observa une proportionnalité entre l’intensité de la source lumineuse et celle du courant créé par des électrodes en zinc et en cuivre [22]. Il fallut cependant attendre la découverte de l’électron en 1897 par J. J. Thomson [23] et la notion de quantification de l’énergie lumineuse introduite en 1905 par Einstein dans sa théorie de l’effet photoélectrique [6] pour pouvoir jeter les fondements théoriques de la conversion de lumière en électricité. L’hypothèse
2
Introduction
des quanta permit à Einstein de décrire correctement la distribution d’énergie des électrons 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 lumière sur un cristal de silicium dont la teneur en impuretés était hétérogène. Il observa donc les propriétés de ce qu’on appelle aujourd’hui une jonction p-n. S’il ouvrit ainsi la voie à l’invention du transistor, Ohl conçut lui-même le premier type moderne de cellule solaire qu’il breveta en 1941 [18]. Les recherches entreprises par la suite conduisirent à la production par Chapin et co-auteurs en 1954 des premières cellules solaires stables en silicium monocristallin, qui avaient un rendement de conversion de 6 % [5]. En 1955, Prince publia la première étude analytique des cellules avant d’organiser leur production industrielle l’année suivante [19] ; Loferski montra la même année que le silicium faisait partie des matériaux optimaux pour la conversion photovoltaïque [14].
Le premier emploi notable des cellules solaires consista en 1958 à fournir l’électricité au satellite Vanguard I, avec un rendement d’environ 8 % dans l’espace [4]. Jusqu’en 1973, 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 coûts de production étaient une préoccupation secondaire [24]. En 1972, un rendement de conversion dans l’espace de 13 % fut atteint en améliorant la résistance aux rayons intersidéraux par une inversion des couches p-n de silicium, en élargissant le domaine d’absorption aux ondes courtes par diminution de l’épaisseur de la couche supérieure de la cellule, et en augmentant le nombre de barreaux collecteurs d’électron à sa surface avant [13 ; 24]. De nouveaux perfectionnements portèrent en 1975 le rendement à 15 % [3 ; 20]. Il s’agissait de l’introduction d’un champ magnétique orientant les électrons dans la cellule [15 ; 17], et de la formation d’une surface rugueuse à la face avant de la cellule pour mieux absorber le rayonnement [11]. Réfléchir la lumière parvenant au fond de la cellule pour la lui faire retraverser augmenta encore le rendement à 16 % dans l’espace [24].
Ayant jusqu’alors peu retenu l’attention en raison de leur coût de production élévé, les applications terrestres des cellules solaires commencèrent à bénéficier de recherches importantes à la suite des crises pétrolières des années 1970, parce que leur coût avait jusqu’alors été un frein à leur production à grande échelle. À cet effet, l’emploi de silicium polycristallin fut mis au point en 1974 ; si ce matériau est de moins bonne qualité que le silicium monocristallin, il permet de produire par moulage des cellules beaucoup moins onéreuses, de sorte qu’en l’an 2012 ces dernières représentaient plus de la moitié des cellules en silicium produites [7]. L’introduction de bornes imprimées dans le processus de production, pour remplacer les procédés de photolithographie par masque et de dépôt sous vide, a permis une grande économie de production en 1975 [24]. D’autres modes de production du silicium multicristallin, par ruban, ont ensuite été mis au point en 1980 pour améliorer aussi la productivité. Au début des années 1980, on s’est par ailleurs particulièrement attaché à faire diminuer le taux de recombinaison, en déposant une couche de SiO2 sur la face avant. Un rendement
3
Les cellules photovoltaïques en silicium : théorie et fabrication
Figure 1.1. Évolution du rendement des cellules solaires monocristalline et multicristalline en fonction du temps, d’après [10].
de 19 % fut ainsi atteint en 1985 [9]. Une amélioration de la structure interne des cellules visant à optimiser les déplacements des électrons a ensuite permis de convertir 24 % de l’énergie lumineuse en 1995 [25]. Les améliorations du rendement des meilleures cellules ont été minimes depuis lors mais le rendement des cellules fabriquées industriellement croît toujours. Aussi, depuis 1980, le prix du courant issu de cellules a été divisé par 50 [16].
Ce bref historique montre donc que, quelle que soit leur nature, les améliorations apportées aux cellules solaires ont reposé sur une maîtrise toujours croissante des principes physiques et chimiques mis en jeu dans la conception et la fabrication des cellules. Ce fait justifie donc l’importance accordée dans la première partie de cet ouvrage aux fondements théoriques des cellules solaires.
4
“chap1” — 2016/6/16 — 19:51 — page 7 — #1
Principe
Dans une cellule solaire, un flux lumineux produit à chaque instant un courant électrique lorsque des photons transfèrent leurs énergies à des électrons. Chaque électron excité par un photon se meut alors vers une face de la cellule en laissant un trou, un déficit de charges négatives dans le réseau cristallin. Après avoir atteint cette face, les électrons entrent dans le circuit électrique branché à la cellule. Les trous sont menés à l’autre face et disparaissent par recombinaison avec les électrons arrivant du circuit. Un courant électrique est ainsi créé. Ces mécanismes vont être décrits dans ce premier chapitre.
Une cellule standard a pour substrat une plaquette en silicium cristallin dopée par des atomes étrangers (Fig. 1.1). Ce silicium est qualifié d’extrinsèque par opposition au silicium pur, dit intrinsèque. La plaquette est dopée inégalement dans son épaisseur afin de conférer une dissymétrie à ses propriétés électriques telle qu’un courant puisse être généré. Habituellement, un premier dopage p (pour positif ) est effectué dans tout le 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 des électrons 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 qui peuvent 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 des trous se déplacent dans le silicium. Ils assurent la neutralité électrique de l’ensemble.
7
P
piégeage, 96
ponctuel, 96
minoritaire, 12
Q
relations d’Einstein, 26
rendement d’une cellule, 47
de tous les types de cellule -évolution entre 1975 et 2015, 67
évolution entre 1940 et 2010, 8
maximal, 64
meilleurs, 64
“index” — 2016/6/29 — 15:04 — page 209 — #5
Index
de diffusion, 35
209
Remerciements
Partie I • Présentation et fonctionnement des cellules solaires standard en silicium massif
Chapitre 1 • Principe