Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui transforme directement l’énergie lumineuse portée par les photons en électricité portée par des électrons grâce à l’effet photovoltaïque. La cellule photovoltaïque fournit une tension continue. Les constituants de la plupart des cellules photovoltaïques sont des semi-conducteurs fonctionnant suivant le principe de la jonction PN, c’est à dire sur le principe de la diode. Actuellement elles sont majoritairement à base de silicium (Si) formant des plaques fines de quelques microns d’épaisseur et d’une dizaine de centimètres de côté. Le sujet de ce mémoire étant basé sur l’étude du module silicium, je privilégierai l’étude de ce type de module et de ses propriétés dès ce chapitre introductif.

Bref historique sur l’évolution des systèmes photovoltaïques

Les systèmes photovoltaïques pour la production d’énergie électrique sont utilisés depuis environ un demi-siècle environ. Les applications ont commencé avec le programme spatial pour assurer l’alimentation des satellites, et en particulier leurs systèmes de transmission radio. Mais l’effet photovoltaïque a été découvert bien antérieurement. Voici donc quelques dates importantes de l’histoire de la cellule photovoltaïque :
– En 1839, Edmond Becquerel physicien français découvre l’effet photovoltaïque [1,2]. Il produit pour la première fois du courant électrique dans un matériau solide à partir de l’utilisation de l’énergie lumineuse.
– En 1954, Chapin, Pearson et Prince, trois chercheurs américains, créent une cellule photovoltaïque au moment où l’industrie cherche pour alimenter ses satellites des nouvelles solutions. C’est alors que les chercheurs des laboratoires Bell (Aux Etats-Unis) développent la première cellule photovoltaïque (ou photopile), découvrant qu’il était possible d’augmenter la photosensibilité du silicium en ajoutant des « impuretés » ou « dopage », utilisé dans tous les semi-conducteurs pour l’électronique et la photonique [3].
– En 1958 la première cellule ayant un rendement de 9 % est obtenue.
– En 1973, à l’Université de Delaware est construite la première maison alimentée par des cellules photovoltaïques.
– Enfin, en 1983, c’est en Australie qu’est réalisée l’alimentation de la première voiture par l’énergie photovoltaïque qui réussit à parcourir une distance de 4000 km [3] Pendant toute cette période de nouvelles technologies sont apparues, basées sur des nouveaux semi-conducteurs comme par exemple les matériaux III-V, par de nouvelles structures de cellules, comme par exemple les multi-couches ou encore par de nouveaux concepts comme celui mis en œuvre dans les cellules solaires à concentration. Néanmoins, encore actuellement, les cellules à base de silicium dominent très largement le marché du photovoltaïque solaire dans la production d’énergie électrique.

Structure des cellules PV

Comme indiqué ci-dessus, les cellules photovoltaïques utilisent divers matériaux et technologies telles que le silicium mono- ou poly- cristallin (c-Si), celles à base de tellurure de cadmium (CdTe), d’arséniure de gallium (GaAs), de diséléniure de cuivre et d’indium (CuInSe2, CIS) dopé au gallium (CIGS), de sulfure de cuivre-zinc-étain (CZTS) et sélénium (CZTSSe) et d’autres.

L’importance de la technologie silicium est dû à au fait qu’elle est bien maîtrisée par l’industrie des semi-conducteurs et dû fait également à son abondance sur terre [6]. En effet, ce semi-conducteur présente plusieurs avantages : il est extrait à partir du sable qui est abondant à la surface du globe, il n’est pas toxique comme certains semi-conducteurs III-V, il possède un oxyde naturel (SiO2) présentant d’excellentes propriétés diélectriques et on peut facilement le doper avec du Phosphore ou du Bore. Ainsi, le Si présente d’excellentes qualités électroniques, et il bénéficie d’une implantation importante et durable dans l’industrie de la microélectronique. Néanmoins, son seul vrai inconvénient est son faible gap (1.1 eV) qui de plus est un gap indirect qui augmente les pertes et limite son absorption au domaine spectral couvrant le visible et le proche infrarouge. Par exemple, pour absorber 90% du spectre solaire, on a besoin de 1μm de GaAs là ou 100μm de silicium seront nécessaires.

On trouvera dans ces cellules, de la face avant à la face arrière :
– Pâte en argent sérigraphie pour former les contacts
– Couche avant passivée et dotée d’un traitement antireflet
– Wafer dopé avec du Bore (type P) pour former la jonction P-N
– Surface arrière – aluminium Back Surface Field (Al-BSF)
– Une couche arrière également passivée
– Pâte d’aluminium sérigraphie.

La Passivation des faces avant et arrière a pour rôle d’améliorer les qualités électroniques de la surface et du volume du matériau en neutralisant les effets de ses défauts électriquement actifs. La couche antireflet (CAR) est utilisée pour minimiser la réflexion de la lumière [10]. La texturation de la surface à base du silicium est utilisée pour diminuer la réflectivité directe de la surface de la cellule. En effet, la texturisation provoque des réflexions multiples à la surface de la cellule et augmente le trajet parcouru par le faisceau optique avant de ressortir de la cellule en le déviant la couche dite « Back Surface Field (BSF) » crée une barrière de potentiel sur la face arrière de la cellule (jonction PN) limitant les recombinaisons sur cette face [10]. Les contacts face avant et arrière à l’émetteur et du substrat servent à collecter le courant de porteurs photo-générés.