Technologies de cellules solaires

L'énergie photovoltaïque est obtenue à l'aide de capteurs appelés cellules solaires ou photopiles. Il existe plusieurs technologies de cellules solaires, mais toutes sont composées de matériaux semi-conducteurs. Le principal matériau semi-conducteur utilisé est le silicium. Trois technologies utilisent ce matériau:

• la cellule au silicium amorphe;
• la cellule au silicium monocristallin;
• la cellule au silicium polycristallin.

De façon plus marginale, certaines cellules sont composées d'un autre matériau semi-conducteur comme le tellurure de cadmium (Cd Te) ou le diséléniure de cuivre et d'indium (CIS).

La cellule au silicium amorphe

Rouleaux de cellules amorphes

La cellule au silicium amorphe est constituée d'un silicium ayant une structure atomique désordonnée, c'est à dire non-cristallisé. Ce matériau absorbe la lumière beaucoup plus qu'un silicium cristallin. Il fait partit de la technologie "couche mince" qui consistent à déposer sous vide sur un substrat (verre, métal, plastique, …) une fine couche uniforme composée d’un et plus souvent de plusieurs matériaux réduits en poudre. Les cellules sont gris foncé.

Avantages:

• peut être appliquée sur une surface importante (4 voire 6 m²), et peut être ensuite découpés;
• peut être utilisée sur des modules courbes ou souples;
• peu sensible à l'échauffement autour de 60°C;
• fonctionne à un très faible niveau de luminosité (à partir de 20 lux);
• fabrication en principe moins onéreuse.

Inconvénients:

• rendement bien inférieur à celui du silicium cristallin (entre 5% et 7% dans le commerce);
• industrialisation encore peu développée par rapport aux technologies cristallines;
• baisse de rendement dès les premières semaines d'exposition.

La cellule au silicium monocristallin

Cellule au silicium monocristallin

La cellule au silicium monocristallin est constituée d'un silicium formé d'un seul cristal ordonné. Ce matériau est obtenu directement d'un germe ou recristallisé à haute température sous forme d'un lingot. Il est ensuite découpé en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme.

Avantages:

• son rendement est très bon (15 à 20% dans le commerce, 25% en laboratoire);
• bon ratio Wc/m2 (~150 Wc/m2) ce qui permet un gain de place si nécessaire;
• nombre de fabricants élevé.

Inconvénients:

• fabrication plus délicate et donc plus coûteuse;
• rendement faible sous un faible éclairement (plage d'utilisation: 100 à 1000 W/m²);
• sensible à l'échauffement, forte baisse de rendement autour de 60°C.

La cellule au silicium multicristallin

Cellule au silicium multicristallin

La cellule au silicium multicristallin (ou polycristallin) est constituée de cristaux de 1mm à environ 2cm assemblés, appelé "grains". La multitude de cristaux se forme pendant le refroidissement du silicium dans la lingotière. La cellule photovoltaïque est d'aspect bleuté, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux.

Avantages:

• les cellules peuvent être de forme carrée (à coins arrondis pour le monocristallin) permettant un meilleur foisonnement dans un module;
• bon rendement de conversion (12-16% dans le commerce, 20% en laboratoire);
• lingot moins cher à produire que le monocristallin.
• nombre de fabricants élevé.

Inconvénients:

• rendement faible sous un faible éclairement (plage d'utilisation: 200 à 1000 W/m²);
• sensible à l'échauffement, forte baisse de rendement autour de 60°C.

Les autres technologies

Les cellules sont faites aussi avec d'autres matériaux comme l'arséniure de gallium (GaAs), le tellurure de cadmium (Cd Te) ou le diséléniure de cuivre et d'indium (CIS) qui ont l'avantage d'absorber fortement la lumière, mais leur manipulation est difficile et certains matériaux comme le cadmium pose des problèmes de toxicité.

Arséniure de gallium (GaAs)

Système à concentration Zenith Solar utilisant des cellules à base d'arséniure de Gallium

Ce matériau possède un très haut rendement, mais reste très onéreux du fait des éléments utilisés. Il est utilisé dans le domaine spatial ou sur des systèmes à concentration.

Avantages:

• très haut rendement (> 25% dans le commerce, 40% en laboratoire)
• peu sensible à la chaleur

Inconvénients:

• prix très élevé
• nécessite un dispositif de concentration (lentille de Fresnel) et de suivi du soleil (tracker)

Tellurure de cadmium (CdTe)

Panneau solaire First Solar à base de tellurure de cadmium

Panneau solaire Solar Frontier à base de diséléniure de cuivre et d'indium

Ce matériau absorbe très bien la lumière et peut être déposé en couches minces. Cependant son rendement reste encore assez faible et la toxicité du cadmium pose un problème une fois la cellule en fin de vie.

Avantages:

• peu coûteuse (0,98 $/W)
• bonne performance en cas de faible luminosité
• moins sensible à la chaleur que le silicium

Inconvénients:

• toxicité du cadmium
• rendement moyen (7-9% dans le commerce, 16,5% en laboratoire)

Diséléniure de cuivre et d'indium

Ce matériau est déposé sur la cellule en couche mince par des méthodes chimiques ou par un dépôt sous vide, sur une couche de sulfure de cadmium (Cd S). Cependant la toxicité du cadmium pose un problème une fois la cellule en fin de vie.

Avantages:

• bonne résistance dans le temps
• bon rendement (12-13% dans le commerce, 20,3% en laboratoire)

Inconvénients:

• toxicité du cadmium
• peu de ressources d'indium sur terre

Cellules multijonctions (matériaux III-V)

Les cellules multijonctions sont composées d'un grand nombre de semi-conducteurs (GaAs, Ge, GaInP2...), absorbant chacun dans un spectre limité. Cette technologie permet de dépasser le plafond théorique du rendement d'une cellule photovoltaïque au dessus de 33,5%, appelé « limite de Shockley-Queisser ».

Avantages:

• très bon rendement (31,8% dans le commerce, 44,7% en laboratoire)

Inconvénients:

• Coût élevé
• peu de ressources d'indium sur terre

Cellules organiques

Les cellules organiques sont composées de molécules organiques pour transformer la lumière en électricité.

Il en existe principalement de trois types :

• Les cellules photovoltaïques organiques moléculaires
• Les cellules photovoltaïques organiques à base de polymères
• Les cellules photovoltaïques hybrides

Avantages:

• facilité de la fabrication
• coût faible

Inconvénients:

• rendement bas (11,1% en laboratoire)
• durée de vie faible

Cellules à particules quantiques

Les cellules à particules (ou points) quantiques sont des cellules composés d'un nanocristal semi-conducteur. Les particules quantiques ont l’avantage d’avoir une largeur de bande qui peut être réglée en changeant simplement la taille des nanoparticules, de sorte qu’ils peuvent facilement être conçus pour absorber les différentes parties du spectre solaire.

Avantages:

• fort potentiel
• matériaux non toxiques

Inconvénients:

• rendement bas (8,6% en laboratoire)

Cellules Cuivre Zinc Étain Soufre et Sélénium (CZTS)

Les différentes couches d'une cellule CZTS - NREL

La cellule CZTS est composé d'un absorbant fait de cuivre, de zinc, d’étain, de soufre et de sélénium, de formule Cu₂ZnSn(S,Se)₄. L’ajout d’un autre semi-conducteur dopé n est requis pour former une hétérojonction, comme pour les cellules CIGS. Cette technologie à l'avantage de n'utiliser que d’éléments courants et non toxiques

Les couches d'une cellule CZTS sont les suivantes :

• un verre de protection ;
• une couche conductrice transparente d’oxyde de zinc intrinsèque (elle est parfois précédée d’une couche de ZnO dopée à l’aluminium, de 400 nm d’épaisseur) ;
• une couche de sulfure de cadmium (CdS) ou d’un composé mixte comprenant du zinc, de l’oxygène, du soufre et des hydroxydes Zn(S,O,OH). D’une épaisseur de 70 nm, ils sont naturellement dopés n ;
• la couche de CZTS (épaisseur d’environ 1,5 µm) ;
• un conducteur inférieur, généralement du molybdène (épaisseur de 300 nm) ;
• un substrat.

Avantages:

• utilisation de matériaux courants
• matériaux non toxiques

Inconvénients:

• rendement moyen (12,6% en laboratoire)

Cellules à colorants

Les [Cellule à colorant|cellules à colorants], dites cellules de Grätzel sont des cellules mixtes organiques-inogarniques, constituées d'une matrice poreuse de TiO₂ imprégnée de colorant et d'un électrolyte liquide.

Avantages:

• utilisation de matériaux courants
• matériaux non toxiques

Inconvénients:

• rendement faible (3 à 5% dans le commerce, 11,9% en laboratoire)

Cellules pérovskite

La cellule pérovskite est un type de cellule solaire qui comprend un composé à structure de pérovskite (CaTiO3 - titanate de calcium).

Avantages:

• fabrication bon marché

Inconvénients:

• bon rendement (20,1% en laboratoire)