Optimisation des propriétés optiques de revêtements antireflets sur des cellules solaires au silicium monocristallin pour des applications photovoltaïques

Le rayonnement solaire 

L’Air masse 

L’énergie naturelle par excellence, le Soleil, cet astre incandescent dont la température de surface est voisine de 5 500 °C, nous dispense de la chaleur et de la lumière. Il est le centre de notre système planétaire, sa place est si grande dans l’activité terrestre sous toutes ses formes qu’il fut bien souvent pris comme un objet d’adoration. Il est la source indirecte des Chapitre I : Généralités sur les Cellules Photovoltaiques et leurs Applications. Thèse de Doctorat Unique / Awa Dieye Kane 7 énergies usuelles de notre temps (sous forme chimique et biochimique en particulier), ce n’est qu’au XVIIe siècle que l’on songea à utiliser directement le Soleil à des fins techniques : Lavoisier a, l’un des premiers, employé une lentille convergente de 1,30 m de diamètre pour obtenir la fusion d’un morceau de fer placé à son foyer. Ce n’est qu’en 1954 que les premières piles solaires produisant de l’électricité firent leur apparition, grâce aux travaux de Bell Laboratories (États-Unis) Figure I.1 : Le soleil (document SOHO-EIT/ ESA-NASA) [7]. La distance de la Terre au Soleil est d’environ 150 millions de kilomètres et la vitesse de la lumière est de 300 000 km/s : les rayons du soleil mettent donc environ 8 min pour nous parvenir. La constante solaire est la densité d’énergie solaire qui atteint la frontière externe de l’atmosphère faisant face au Soleil. Sa valeur est communément prise égale à 1 360 W et elle varie peu dans l’année à cause des légères variations de la distance Terre – Soleil). Pour quantifier le rayonnement solaire, on utilise le watt par m2 (W/m2 ), c’est un flux, une puissance par unité de surface [8]. Lors de la traversée de l’atmosphère, ce rayonnement de 1 360 W/m2 subit des déperditions, du fait de son absorption partielle par les gaz atmosphériques et la vapeur d’eau. Ainsi, le flux reçu sur la Terre est inférieur au flux « initial » et dépend de l’angle d’incidence, et donc de l’épaisseur d’atmosphère traversée. Chapitre I : Généralités sur les Cellules Photovoltaiques et leurs Applications. Thèse de Doctorat Unique / Awa Dieye Kane 8 Figure I.2 : Définition de l’Air Mass : m = 1/sin(h) [9]. En effet, si l’on fait face au Soleil, il est à une certaine hauteur, qu’on appelle hauteur apparente. C’est l’angle h entre le plan horizontal situé sous nos pieds et une droite pointée vers le Soleil. Sur la figure I.2, cet angle h détermine la distance parcourue par le soleil à travers l’atmosphère. On appelle m (masse atmosphérique), ou Air Mass, cette distance calculée en multiples de la distance parcourue si le soleil était à la verticale du lieu. Sur la figure, m = 1 si le Soleil entre dans l’atmosphère au point A et m = 2 s’il y entre en M, donc : m = 1/sin(h) Quant aux conditions normalisées de test des panneaux solaires, elles sont caractérisées par un rayonnement instantané de 1 000 W/m2 [10], un spectre solaire AM 1,5 et 25 °C [11] de température ambiante. Ces conditions sont appelées STC (Standard Test Conditions). La figure I.3 montre ce spectre AM 1,5 normalisé : les « trous » que l’on observe correspondent aux absorptions par les gaz de l’atmosphère [12]. Cela correspond à un ensoleillement assez fort, soleil au Zénith (au plus haut de sa course), ciel parfaitement dégagé. Elle montre l’influence de cette couverture nuageuse sur le rayonnement reçu sur la Terre. Notons au passage la différence entre le rayonnement direct, les rayons du soleil qui nous parviennent en ligne droite, et le rayonnement diffus, les rayons qui subissent de multiples réflexions et nous parviennent alors de toutes les directions à travers les nuages [13]. Le rayonnement solaire est entièrement diffus lorsqu’on ne peut plus voir où se trouve le soleil. Quant au rayonnement global, c’est la somme du rayonnement direct et du rayonnement diffus. Chapitre I : Généralités sur les Cellules Photovoltaiques et leurs Applications. Thèse de Doctorat Unique / Awa Dieye Kane 9 Figure I.3 : Phénomènes typiques d’absorption et de diffusion du rayonnement solaire à travers l’atmosphère et (b) spectres AM0 et AM1.5 [14]. Pour résumer, le soleil dispense typiquement à un instant t sur la terre (en rayonnement global) : • 1 000 W/m2 avec un soleil au zénith et un ciel parfaitement dégagé ; • 100 – 500 W/m2 sous un ciel nuageux ; • moins de 50 W/m2 sous un ciel vraiment couvert. 

 Remarque sur la norme STC 

Ce graphe montre bien que cette norme impose des conditions de mesure des panneaux qui ne sont pas du tout réalistes, car l’ensoleillement est presque toujours inférieur à 1 000 W/m2 , et l’imperfection de cette norme va plus loin puisque le panneau doit être mesuré également à 25 °C, ce qui est carrément incompatible avec l’ensoleillement élevé de 1 000 W/m2 dans la réalité. Sous un tel ensoleillement, le panneau s’échauffe forcément, jusqu’à 40, 60 °C et parfois plus (selon la manière dont il est construit, et ventilé). Malheureusement c’est bien à 1000 W/m2 et 25 °C que sont comparées les technologies, ce qui déprécie celles qui sont performantes à éclairement moyen ou moins sensibles aux élévations de température. Le silicium en couche mince notamment, toujours mal considéré, est meilleur aux éclairements faibles et diffus et il baisse moins que le cristallin quand la température augmente. Chapitre I : Généralités sur les Cellules Photovoltaiques et leurs Applications. Thèse de Doctorat Unique / Awa Dieye Kane 10 Aujourd’hui, il est prouvé qu’en Europe en tout cas, et semble-t-il aussi sous climat très chaud, l’énergie totale annuelle produite par des panneaux au silicium amorphe est supérieure à celle des panneaux au silicium cristallin, pour une même puissance installée. Tout simplement parce que l’ensoleillement est en moyenne bien inférieur à 1 000 W/m2 et la température du panneau supérieure à 25 °C. Lieu géographique, orientation, saison, heure de la journée, etc. jouent directement sur le rayonnement instantané. C’est ce qui déroute bien souvent les utilisateurs pour définir leurs systèmes solaires. L’énergie délivrée par un panneau solaire est hautement variable L’éclairement instantané n’est d’ailleurs pas très utile, on se servira plutôt de valeurs globales intégrées sur une journée pour chiffrer l’énergie récupérable 

 Le matériau silicium 

Une cellule photovoltaïque convertit directement le rayonnement solaire en électricité, l’illumination de la structure génère un courant ainsi qu’une tension, fournissant ainsi une puissance électrique au circuit extérieur. Le matériau utilisé doit donc à la fois permettre le transfert d’énergie du photon absorbé à un électron et la collecte de cet électron de plus haute énergie par un circuit extérieur. De nombreux matériaux et procédés peuvent potentiellement satisfaire ces conditions pour donner une conversion photovoltaïque. En pratique, les matériaux semi-conducteurs, et plus particulièrement le silicium, sont les plus utilisés, le plus souvent sous la force d’une homo-jonction PN 

 Les différents types de silicium 

Aujourd’hui, plus de 99 % des équipements photovoltaïques utilisent le silicium comme matériau de base. Ce dernier se présente sous différentes formes (Figure I-4), les plus répandues étant le silicium monocristallin, le silicium poly cristallin et le silicium amorphe. Chapitre I : Généralités sur les Cellules Photovoltaiques et leurs Applications. Thèse de Doctorat Unique / Awa Dieye Kane 11 Figure I.4 : Répartition des différents matériaux sur le marché photovoltaïque[17]. La figure I-4 montre la répartition des divers matériaux utilisés dans le marché du photovoltaïque, où le silicium poly cristallin occupe la première place [18]. Nous allons à présent décrire ces différents types. Silicium amorphe Silicium monocristallin Silicium Poly ou Multi cristallin Figure I.5 : Divers types de silicium[19] • Le silicium monocristallin est un matériau de très haute pureté, qui est obtenu par des procédés industriels tels que le tirage CZ (Czockralski) ou la purification par fusion de zone (FZ). Le produit fini se présente sous la forme de lingots qu’il faut ensuite découper en plaquettes de 300µm. Cette dernière étape entraîne d’ailleurs une perte importante de matériau (jusqu’à 50%). Ce type de matériau, qui présente d’excellentes qualités électroniques, permet la fabrication de cellules conventionnelles à haut rendement (~18% [20]) mais il est très coûteux. La part de marché du silicium monocristallin est donc de moins en moins importante (43.4% en 2008), puisque les modules produits ont certes un rendement plus élevé mais sont bien plus chers que ceux en silicium multicristallin. • Le silicium multicristallin fabriqué principalement à partir de sources de matériau moins raffinées ou des rebuts de l’industrie micro-électronique, mais convient à l’industrie photovoltaïque. La majeure partie de ce matériau est produite par des procédés de solidification unidirectionnelle, tels que le Polix (Photowatt) ou le Baysix (Bayer). Il se présente également sous forme de lingots qu’il faut découper. Les rendements des cellules obtenues sont légèrement inférieurs (15% [21]). Cependant c’est le matériau qui conduit au coût le plus faible au Wc(watt- crête) , en comparaison avec d’autres procédés. Il occupe aujourd’hui 55,9% de part de marché et tend à progresser. D’autres méthodes de production se développent, tel que le dépôt de silicium en ruban. Cette solution consiste à produire directement des plaques minces (< 200 m) de silicium multicristallin en utilisant un ruban de carbone qui passe dans un bain de silicium fondu [22]. Cependant cette technique n’a pas réussi à s’imposer, en raison notamment de la mauvaise qualité du silicium obtenu (purification moins poussée, cristallisation moins bonne, ainsi que l’uniformité et l’état de surface) et des vitesses de tirage trop faible (quelques cm/min). Cependant les meilleures cellules produites présentent des rendements de conversion moyenne d’environ 14 % [23].  Le silicium amorphe : une autre forme de silicium est également utilisée pour la fabrication de cellules photovoltaïques : le silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H). L’avantage du silicium amorphe est qu’il est déposé à basse température (PECVD), ce qui permet l’utilisation de substrats à bas coûts (verre). De plus, grâce à sa pseudo-largeur de bande interdite de 1,7 eV, une absorption très importante est obtenue sur quelques microns. Avec des structures à jonctions multiples, des rendements stabilisés de 13% ont été réalisés dans des laboratoires tandis que les piles solaires industrielles approchent 8% [24]. Cependant, le principal problème des cellules en silicium amorphe est leur dégradation au cours du temps, dégradation consécutive à la libération de l’hydrogène. Aujourd’hui, les piles solaires en silicium amorphe sont principalement employées pour des biens de consommation (montres, calculatrices…) mais s o n t peu utilisées dans le cadre des installations solaires (seulement 4,7% [25] du marché photovoltaïque). La bande interdite du silicium (ou gap) est légèrement faible pour le fonctionnement optimal des cellules solaires car ne correspondant pas exactement au maximum d’intensité du spectre solaire. Comme son gap est indirect, l’absorption du rayonnement solaire par le silicium sera plus faible que celle d’un semi-conducteur à gap direct comme l’arséniure de gallium GaAs. 

 Les propriétés électriques et optiques du silicium

 Le silicium massif domine le marché photovoltaïque actuel. Son abondance sur la terre, le fait qu’il soit non toxique et chimiquement stable dans le temps, sa prédominance sur l’industrie des semi-conducteurs et l’excellente connaissance physique qui en résulte, font que les autres matériaux peuvent difficilement rivaliser. Cependant, sa bande interdite (ou gap) est légèrement trop faible pour le fonctionnement optimal des cellules solaires et du fait de son gap indirecte, son coefficient d’absorption est relativement faible. Lorsqu’un matériau semi-conducteur est illuminé, une partie du rayonnement est absorbée et entraîne la création de paires électron-trou : l’énergie d’un photon permet à un électron de la bande de valence de passer dans la bande de conduction. Celui-ci laisse une pseudo charge positive dans la bande de valence : le trou. Cette transition est régie par les lois de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement, et donc du vecteur d’onde dans le domaine optique, le vecteur d’onde d’un photon, soit k = 2   est de l’ordre de 106 m-1. Cependant, le vecteur d’onde d’un électron varie de 0 à k = 2  a , a étant le paramètre de maille du réseau cristallin : k est donc de l’ordre de 1010 m-l. Le vecteur d’onde du photon est donc négligeable devant celui de l’électron, sauf autour de 0. Ainsi, l’interaction photon – électron entraîne une transition de l’électron sans changement de vecteur d’onde, c’est-à-dire qu’elle est verticale dans l’espace des vecteurs d’onde k. Le silicium a un gap indirect Eg = 1,12 eV à 300 K, correspondant à une longueur d’onde λg = 1107 nm.