Les différentes générations de

cellules photovoltaïques

Rébecca BouAnna BrochierDiane PavatMylène Robin

Les débuts de l’effet photovoltaïque

1839 : Edmond Becquerel est le premier scientifique à mettre en évidence les effets électriques dans une pile que produisent les rayons solaires. L’effet photovoltaïque est obtenu grâce à l'absorption des photons qui composent la lumière du soleil par un matériau semi-conducteur constitué d'électrons.

1883 : création de la première cellule photovoltaïque, constituée de sélénium et d’or. Son rendement atteint 1%.

1905 : Einstein découvre que l’énergie des quantas de lumière est proportionnelle à la fréquence de l’onde électromagnétique. Il aura un prix Nobel suite à son ouvrage “Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière".

1939 : découverte de la jonction p-n par un ingénieur américain, Russel Ohl.

Fonctionnement général d’une cellule But principal d’une cellule photovoltaïque : utiliser l’effet photoélectrique obtenu grâce au rayonnement solaire pour obtenir de l’électricité.

Une cellule va donc convertir directement l’énergie lumineuse des photons en énergie électrique grâce à un matériau semi conducteur.

Qu’est ce qu’un matériau semi conducteur ? C’est un matériau qui a à la fois des propriétés isolantes mais aussi des propriétés conductrices. Il a alors la propriété d’être soit l’un soit l’autre selon certaines conditions.La conductivité électrique dépend de l’agencement des électrons autour d’un noyau.Ces électrons peuvent avoir différents rôles: il existe les électrons de valence et ceux de conduction, souvent schématisés par des “couches” ou “bandes”.

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matériau conducteur les bandes de valence et de conduction se chevauchent : la matériau peut conduire le courant

matériau isolant les deux bandes sont séparées par une troisième bande “interdite” : les électrons externes ne peuvent pas accéder à la bande de conduction, le courant ne peut pas être créé.

matériau semi-conducteur la bande interdite existe, mais est très fine. Ainsi, en excitant les électrons on peut réussir à faire passer un électron de la bande de valence à la bande de conduction : le courant peut alors passer

Dopage d’une cellule Le dopage d’une cellule consiste à augmenter sa conductibilité de manière chimique. Pour cela on insère deux types de semi-conducteurs à l’intérieur de la cellule: les semi-conducteurs de type p ou n.

Schémas explicatifs du fonctionnement d’une cellule photovoltaïque avec dopage p-nenergieplus-lesite.be

Dopage de type nLe dopage de type n s’obtient par le dopage d’un semi conducteur classique avec un semi-conducteur qui possède plus d'électrons comme par exemple le phosphore. Cette opération va permettre d’ajouter des électrons dans la bande de valence du semi-conducteur de référence. La cellule va donc avoir une conductivité plus efficace grâce au déplacement de l’électricité par ces électrons.

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Schéma du fonctionnement d’un dopage de type n

Dopage de type pLe dopage de type p , quant à lui s’obtient à l’inverse du dopage de type n. En effet dans ce cas-là on va doper un semi-conducteur par un élément qui possède moins d’électrons comme par exemple le bore. Grâce à cette opération, on réduit le nombre d’électrons dans la bande de valence, comme il y a un manque d’électron, ce sont alors les charges positives qui vont assurer le déplacement de l'électricité. energieplus-lesite.be

Schéma du fonctionnement d’un dopage de type p

Les jonctions p-nChaque cellule photovoltaïque est composée d’une jonction appelée p-n. Cela signifie que la couche supérieure de la cellule est composée d’un semi-conducteur de type n et la couche inférieure d’un semi-conducteur de type p. Afin d’obtenir ce genre de jonction, on traite la surface de la cellule pour pouvoir déposer le semi-conducteur de type n sur la surface externe du matériau de type p.

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Schéma du fonctionnement d’une jonction p-n

Une fois l’opération de mise en contact accomplie, une barrière de potentiel se créée. Celle-ci, appelée “zone de déplétion”, se forme grâce à la mise en contact des deux éléments n et p et les jonctions entre les trous et les électrons.

Plus la température augmente autour de cette jonction, plus les électrons vont se déplacer et remplir tous les états d’énergie, cela va permettre d’annuler la bande interdite et d’avoir une meilleure conductivité entre la bande de conduction et la bande de valence.

Représentation des niveaux d’énergie

proche de la jonction p-n

1ère génération : cellules cristallines

● basées sur la production de wafers (sous forme de plaques)

● à base de silicium très pur ⇒ cellules demandant beaucoup d’énergie et qui sont très coûteuses

● durée de vie de 35 ans● n’ont qu’une jonction p-n

Fabrication On met du silicium en fusion dans des creusets cubiques. Il est ensuite découpé en fines plaques (wafers). Les cellules seront obtenues après dopage et traitement de surface.

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2 types de cellules cristallines

cellules polycristallines cellules monocristallines

fabricationrefroidissement du silicium en fusion dans creusets à fond plats ⇒ des cristaux orientés de manière irrégulière se forment, qui donne l’aspect caractéristique bleuté présentant des motifs dûs aux cristaux.

contrôle strict et progressif du refroidissement du silicium, nécessite une forte surveillance.⇒ obtention de cristaux très purs

rendement10 à 15%⇒ 110 à 150 Wc/m² (Wc: watt-crête, puissance max du dispositif)

12 à 19% ⇒ 120 à 190 Wc/m²

avantagesrapport performance/prix très bon rendement

inconvénients● coût élevé● rendement plus faible sous éclairement réduit● les électrons porteurs de charge, générés par la lumière du soleil, sont partiellement perdus

dans le volume du silicium à cause de la présence d'impuretés résiduelles

futura sciences, © Marufish, Flickr

Archiexpo.fr

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2ème génération: cellules à couches minces ou cellules

organiques

Les nouvelles cellules photovoltaïques qui constituent la deuxième génération de cellules sont composées de très peu voir pas de silicium. Cela s’explique par l’augmentation du prix de ce matériau pourtant abondant sur Terre. De plus ces cellules sont réputées car elles ont été réduites considérablement d’épaisseur, ce qui explique la facilité des constructeurs à créer des panneaux photovoltaïques très souples, légers et faciles à installer. C’est pour cela que l’on appelle ces cellules des cellules à couches minces, car leur zone d’absorbance est de l’ordre de quelques micromètres (200-à 350 micromètres).

buildingindustry.orgphotovoltaique-plastique.com

Ainsi grâce à ce changement de matériau, les cellules de deuxième génération sont plus pratiques, mais elles fonctionnent toujours sur le même principe que les cellules cristallines.On peut donc dénombrer plusieurs matériaux différents dans cette nouvelle génération tels que le silicium amorphe (substance minérale non cristallisée, c’est à dire ne possédant pas de structure atomique ordonnée), le cuivre, gallium, sélénium, zinc etc. Par exemple: CIGS (cuivre, indium, gallium et sélénium), cellule dépourvue de toxicité pour l’environnement.

Dantor, Wikimedia Commons

Cellule CIGS

Les cellules au silicium amorphe ont un faible rendement mais réagissent très bien même lors d’un faible ensoleillement comme l’intérieur d’une maison. Ces cellules sont apparues en 1976. Elles forment les premières cellules de la deuxième génération avec une épaisseur de 1 µm.Comme le silicium n’est pas cristallisé, les atomes à l’intérieur sont désordonnés et peuvent donc absorber plus de lumière.

Les cellules au silicium amorphe : un cas de cellule de deuxième génération

Avantages

- Plus fines, entre 200 et 350 µm- Moins coûteuses que la première génération puisqu’elles

consomment moins de matériau semi-conducteur- Moins polluantes à la fabrication- Fonctionnent avec un éclairement faible- Moins sensible à l’ombrage et aux élévations de température- Possibilité de créer des panneaux souples qui sont plus faciles à

installer

Inconvénients

- diminution croissante de la performance de la cellule.- rendement faible à cause de la difficulté de déplacement de l’énergie dûe

à l'organisation des atomes.- les atomes de silicium ne forment pas toujours des liaisons covalentes,

cela perturbe donc les propriétés électroniques du matériau.- Nécessité d’ajouter des atomes d'hydrogène pour palier à ce manque de

liaisons. Les atomes d'hydrogène établissent des liaisons avec les électrons restés libres, et réduisent ainsi le nombre de liaisons pendantes.

3 ème génération Les cellules de 3ème génération sont plus souples, ultra-fines, et donc plus « agiles » que les

panneaux en silicium. Ils pourraient demain équiper les toits des trains et des voitures, les stores, ou encore les tentes militaires. Ils peuvent être transparents ou colorés et pourraient être intégrés aux façades des immeubles sous forme de fines couches de plastique. Les objets du quotidien pourraient eux aussi en être dotés, du parasol au sac à dos, en passant par nos vêtements.

Cellule photovoltaïque organique Cellule photovoltaïque multi-jonction Cellule photovoltaïque à concentration

● Cellules photovoltaïques organiquesComposition Le semi-conducteur utilisé est un polymère comme par exemple le polyacétylène.

Histoire La première cellule photovoltaïque organique a fait son apparition en 1985 et avait un pourcentage d'efficacité d'environ 1 %.

Caractéristiques ● Leur développement constitue une tentative de réduction du coût de l'électricité photovoltaïque.

● plus fines, flexibles, faciles et moins chères à produire, tout en étant résistantes

● Rendement : 8 % à 10%.

Avantages ● une forte absorption optique● des substrats variés● des techniques de dépose assez simple.

Inconvénients ● la longévité n’est toujours pas maîtrisée.

● Cellules photovoltaïques multi jonctions (cellules tandem)

Caractéristiques Les cellules multi-jonctions sont composées d'un grand nombre de semi-conducteurs possédant chacun un spectre limité. Si l’on choisit des matériaux qui possèdent des longueurs d’ondes très proches les unes des autres, cela permettra aux cellules d’absorber un spectre plus grand et complet qui permettrait d’obtenir un rendement jusqu’à 50%! Les cellules multi-jonctions vont permettre d’inventer de nouvelles techniques de production d’électricité à travers les panneaux solaires. Un semi-conducteur comme le silicium ne peut produire de l’électricité qu’à partir d’une certaine longueur d’onde de rayon solaire. Grâce aux nouvelles méthodes scientifique on prévoit une exploitation possible des rayons solaires de près de 80% grâce à ces cellules multi-jonctions. Cela constituerait un grand progrès au niveau du rendement des panneaux photovoltaïques de nos jours.

Avantages Rendement record : environ 40% et maximum 50 %

Inconvénients ● développé pour les applications spatiales, ce type de cellule n’est pas encore commercialisable

● nécessitent l’utilisation de métaux rares ● leur coût de fabrication est élevé

● Panneau solaire à concentrationComposition Les centrales photovoltaïques à concentration utilisent des lentilles optiques qui

concentrent la lumière sur de petites cellules photovoltaïques à haute performance. Pour fonctionner, il est nécessaire de suivre le soleil tout au long de la journée avec un système mécanique pivotant. La concentration est obtenue par un système de miroirs paraboliques ou de lentilles de Fresnel, comme sur les phares d'automobiles.

Histoire Cette technologie a d'abord été réservée aux satellites et à l'exploration spatiale.Puis elle a été testée dans quelques prototypes et opérations pilotes.

Avantage rendement important : supérieur à 50 %

Inconvénients ● cette technologie n’est aujourd’hui économiquement viable que dans les zones où l’ensoleillement est très important.

● il faut que la lumière concentrée soit bien focalisée sur la cellule.● ils sont plus complexes, plus fragiles, plus délicats à transporter et à monter● nécessitent de faire appel à des métaux précieux

Conclusion Depuis 1975, le photovoltaïque a

grandement évolué. Nous sommes passé d’un rendement d’une dizaine de pourcents à 44% de nos jours. Ce qui est très encourageant, dans un monde où l'énergie renouvelable promet beaucoup. Donc l’exploitation de la lumière du soleil se présente ici comme indispensable. Même si la part du solaire dans le monde est encore faible, il connaît une très forte progression ces dernières années.

L’évolution du rendement du solaire au cours du temps

Bibliographie● energieplus-lesite.be● edf.fr● photovoltaique-plastique.com● buildingindustry.org● futura sciences● nrel.org