ETUDE DE LA CELLULE SOLAIRE NANOCRISTALLINE A COLORANT

 Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque

L’effet photovoltaïque est la transformation de l’énergie lumineuse en énergie électrique. Il met en jeu trois phénomènes physiques intimement liés et simultanés: -l’absorption de la lumière dans le matériau -le transfert d’énergie des photons aux charges électriques (électrons) -la collecte des charges. 

Absorption de la lumière

La lumière se compose de photons. Ceux ci peuvent pénétrer certaines matières et même passer à travers. Plus généralement un rayon lumineux qui arrive sur un solide peut subir trois événements optiques: -La réflexion: la lumière est renvoyée -La transmission: la lumière traverse l’objet -L’absorption: la lumière pénètre dans l’objet et rien n’en ressort pas, l’énergie est restituée sous une autre forme. Dans une cellule solaire une partie du flux lumineux sera restitué sous forme d’énergie électrique. L’énergie du photon (lumière monochromatique de fréquence v) est donnée par E = hv = hc/λ

Transfert d’énergie des photons aux charges électriques

Les charges électriques vont produire le courant électrique sous illumination. Les photons cèdent leur énergie aux électrons périphériques des atomes ce qui leur permet de se libérer de l’attraction de leur noyau. Ces électrons libérés sont susceptible de produire un courant électrique si on les attire ensuite vers l’extérieur.

La collecte des charges

Pour que les charges libérées par l’illumination (photogénérées) soient génératrices d’énergie, il faut qu’elles circulent et soient attirées hors du matériau dans le circuit électrique. Cette extraction des charges est réalisée au sein d’une jonction créée volontairement dans le semi conducteur. L’objectif est d’engendrer un champ électrique puissant à l’intérieur du matériau, qui puisse entrainer les charges négatives d’un coté et les charges positives de l’autre coté. Ceci est possible grâce au dopage du semi conducteur. Chapitre I : Les cellules classiques Mémoire de Master II présenté par El Hadji Oumar GUEYE GLPSSM-FST/UCAD (Sénégal) 2009 8 C’est à la frontière de ces deux parties que se crée un champ électrique pour séparer les charges positives et négatives. Cette zone est appelée zone de charge et d’espace on l’appelle aussi zone de déplétion

Avantages et inconvénients d’une photopile au silicium cristallin

Avantages

Les cellules au silicium monocristallin on l’avantage d’avoir un bon rendement, elles ont aussi un bon ratio (~150Wc/m²) ce qui permet d’avoir un gain de place si nécessaire. Les cellules au silicium polycristallin ont un rendement de conversion moins bon que celui du silicium monocristallin (environ 100Wc/m²). [9] Elles ont aussi une très grande durée de vie (supérieur à 20ans) et une faible diminution de leur performance au cours du temps. 

Inconvénients

L’inconvénient majeur des cellules au silicium cristallin est leur cout élevé. Le procédé de conception est aussi très énergétique, toxique et polluant. Lors du sciage plus de 30% du matériau est perdu. Le silicium est un mauvais matériau optoélectronique, à cause de son gap indirect, il absorbe peu de lumière (λabs≈ 50µm). Et c’est ce qui est à l’origine de la grande épaisseur des cellules solaires au silicium cristallin. Les cellules ont aussi un faible rendement sous faible illumination. D’intenses recherches sont actuellement faites pour améliorer le procédé de fabrication. 1.2.5 Procédés alternatifs de réalisation des photopiles au silicium La réduction de la silice par la coke peut être remplacée par une réduction aluminothermique, qui consiste à extraire de la silice avec de l’aluminium. Ce procédé demande moins d’énergie que la précédente, ce qui entraine donc une diminution de la consommation en énergie. La purification du silicium par voie métallurgique entrainerait aussi une réduction des couts et éviterait en même temps l’utilisation de produits chlorés[4].Dans les laboratoires de PHASE (Physique de l’Homme Appliquée à Son Environnement), le dopage de l’émetteur par voie chimique (barbotage d’un gaz neutre dans du chlorure de phosphore POCl3 toxique) a été remplacer avec succès par la déposition par centrifugation sur une face du film de silice polymérique contenant du phosphore avec éventuellement sur l’autre face un dépôt de bore et/ou d’aluminium, afin de former simultanément la face arrière. Les fours classiques à effet Joule peuvent aussi être remplacés par des fours à lampe dans lesquels seul l’échantillon est chauffé (au contraire des fours à effet Joule dans lequel les parois sont aussi chauffées). Dans ces derniers (fours à lampe) la température passe de 25° à 1000°C en moins de 3s, favorisant ainsi l’accélération de toutes les cinétiques de diffusion des dopants.  Dans le but d’augmenter toujours le rendement des cellules solaires, de nouveaux types de cellules ont été développés, comme les cellules à jonctions multiples(ou tandem) et les cellules à hétérojonctions. 1.2.5.1 Les cellules à jonctions multiples Dans les cellules à jonctions multiples, on multiplie le nombre de jonction avec des matériaux de gap légèrement différents tout en réduisant l’épaisseur de chacune des couches. L’avantage de ce type de cellules est donc une capacité d’absorption importante de la lumière du soleil (car composée de matériaux à gap différent). L’une des difficultés à surmonter est le bon appariement des courants, puisque les cellules sont empilées en série (c’est la cellule la plus mauvaise qui impose son courant).

Les hétérojonctions

Les cellules à hétérojonctions sont des cellules composées de deux semi conducteurs ayant des énergies de bande interdite différentes (contrairement aux cellules multi jonctions qui sont des empilements de cellules avec des énergies de bande interdites différents).Il y a donc un aspect jonction p-n comme dans la filière classique à homojonctions. Sanyo a été la première entreprise à utiliser des cellules à hétérojonction, avec un c-Si (silicium cristallin) de type n déposé sur un a-Si-H (silicium amorphe hydrogéné) dopé p. On note une augmentation importante de la tension en circuit ouvert (Vco) en utilisant une couche a-Si-H non dopée entre le c-Si (n) et le a-Si-H (p). Ces cellules présentent aussi de nombreux avantages par rapport aux cellules à homojonctions. Notamment une réduction du cout de fabrication grâce à la réalisation simultanée de la jonction p-n et de la passivation, et une baisse de la température lors du procédé de fabrication (<250°). Ces cellules présentent aussi un meilleur comportement thermique que les cellules à homojonctions. 

Le silicium amorphe et les chalcogénures

A coté de la filière classique d’autres filières se sont fait depuis quelques temps une petite part de marché dans le milieu photovoltaïque, ce sont le silicium amorphe et la filière chalcogénure polycristalline. 

Le silicium amorphe

Les propriétés photovoltaïques du silicium amorphe, ont été découvertes en 1976, ce dernier est une forme non cristalline du silicium. Sa structure atomique est désordonnée, non cristallisée. Ces cellules ont une ou plusieurs jonctions (a-Si:H + alliages de a-Si:H et/ou μc-Si) et ont des structures p-i-n. Les meilleurs rendements sont obtenus avec des triples jonctions. La faible épaisseur (quelques micromètres) les rend moins chères mais les rendements sont aussi inférieurs. Les meilleurs rendements sont de l’ordre de 14 % pour des cellules. Le rendement des modules vendus oscillent entre 5 % et 10 %. C’est la seconde technologie en termes de vente avec environ 5 % du marché. Ils s’intègrent bien au bâti et Chapitre I : Les cellules classiques Mémoire de Master II présenté par El Hadji Oumar GUEYE GLPSSM-FST/UCAD (Sénégal) 2009 10 ont de bons rendements en lumière diffuse ou dans des environnements « chauds », mais son rendement est assez faible en plein soleil de 5% à 7%. Enfin, les cellules a-Si:H sur substrat flexible sont une application intéressante avec une forte valeur ajoutée [7]. La structure est réalisée soit par dépôt du silane dans un champ haute fréquence sur substrat, soit par pulvérisation cathodique du silicium pur ou dopé sous atmosphère d’un gaz neutre en présence d’hydrogène. « La pulvérisation cathodique (ou sputtering) est une technique qui autorise la synthèse de plusieurs matériaux à partir de la condensation d’une vapeur métallique issue d’une source solide (cible) sur un substrat. L’application d’une différence de potentiel entre la cible et les parois du réacteur au sein d’une atmosphère raréfiée permet la création d’un plasma froid, composé d’électrons, d’ions, de photons et de neutre dans un état fondamental ou excité. Sous l’effet du champ électrique, les espèces positives du plasma se trouvent attirées par la cathode (cible) et entrent en collision avec cette dernière. Elles communiquent alors leur quantité de mouvement, provoquant ainsi la pulvérisation des atomes sous forme de particules neutres qui se condensent sur le substrat. La formation du film s’effectue selon plusieurs mécanismes qui dépendent des forces d’interactions entre le substrat et le film. La décharge est auto-entretenue par les électrons secondaires émis de la cible. En effet, ceuxci, lors de collisions inélastiques, transfèrent une partie de leur énergie cinétique en énergie potentielle aux atomes d’argon qui peuvent s’ioniser. ».