RECOMBINAISON D’UNE PHOTOPILE MONOFACIALE AU SILICIUM EN COUCHE MINCE 

Evolution technologique des cellules photovotaïques

Il existe un grand nombre de technologies mettant en œuvre l’effet photovoltaïque. La grande majorité d’entre elles sont encore en phase de recherche. Les principales technologies industrialisées en quantité à ce jour sont : le silicium mono ou polycristallin et le silicium amorphe en couche mince. En fonction des développements technologiques, on distingue généralement trois générations de cellules photovoltaïques : les cellule de première, de deuxième et de troisième génération. 

Les cellules de première génération [4] Cette technologie est aussi appelée technologie du silicium cristallin ou technique de fabrication en forme massive.  Elle est basée sur la formation d’une jonction p-n et utilise en général le silicium comme matériau semi conducteur. Pour la fabrication de ce type de cellules photovoltaïques, on utilise des cristaux de silicium sous forme monocristalline ou polycristalline. Les processus de fabrication de ces cellules PV sont similaires. Cependant, les procédés d’obtention des matériaux de base (silicium monocristallin ou polycristallin) sont différents C’est la technologie dominante sur le marché mondial. Elle se reconnaît à la couleur gris/bleu des cellules. Elle est principalement utilisée dans des applications telles que les relais de télécommunication, la signalisation routière, les centrales photovoltaïques connectées au réseau et en sites isolés. Cette méthode est très chère car elle nécessite du silicium d’une grande pureté elle utilise généralement un bain fondu nécessitant des températures très élevées voisines du point de fusion du silicium (1420°C) pour l’obtention de lingots de silicium. Les procédés de fabrication du matériau diffèrent selon que le silicium est monocristallin, polycristallin ou amorphe. Tableau 1 : Taille des grains de cristaux de silicium. Taille (cm) 10 10-1 10-4 10-5 Inférieur à 10-5 Type de silicium cristallin Monocristallin Multicristallin polycristallin microcristallin nanocristallin

Méthode CZOCHRALSKI

Le procédé de Czochralski est un procédé de croissance de cristaux monocristallins de grande dimension (plusieurs centimètres). La m éthode consiste en u ne solidification dirigée à partir d’un germe monocristallin de petite taille. Le germe, est suspendu par une tige et trempé dans un bain fondu de silicium pour être remonté lentement. On part du matériau fondu à une température juste au-dessus du point de fusion, avec un gradient de température contrôlé. Le bai n de silicium liquide et le gradient thermique restent alors immobiles. Le liquide se solidifie sur le germe en gardant la même organisation cristalline (épitaxie) au fur et à mesure que l’on tire le germe vers le haut tout en l e faisant tourner (à vitesse très lente).L’opération se passe sous atmosphère neutre (argon ou azote) pour éviter l’oxydation. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE ~ 7 ~Mémoire de master II de Monsieur Momar DIAW LASES-FST-UCAD [I-2] Figure 1 : Dispositif de fabrication du silicium monocristallin par le procédé de Czochralski On obtient des lingots de s ilicium généralement de type P obtenu en dopant le silicium par du bore à des concentrations de 1016-1017 atomes.cm-3.  Figure 2 : Lingot de silicium polycristallin Figure 3 : Lingot de silicium monocristallin sur lingot polycristallin Le procédé Czochralski permet d’obtenir des cellules de t rès bon r endement de conversion mais reste relativement cher. Le silicium polycristallin, quant à l ui, est obtenu par refonte des chutes de s ilicium monocristallin. Son taux de rendement est légèrement inférieur mais il est beaucoup moins cher à l’achat. Le procédé de fabrication des lingots de silicium multicristallin, donne un lingot aux grains relativement gros (1 cm) qui permettent d’obtenir des cellules avec un bon rendement (14 %). C’est un procédé lent mais de faible coût.

La méthode de Bridgman 

Le procédé de Bridgman est un procédé de croissance de cristaux monocristallins. Les matériaux à faire croître sont d’abord mis dans une ampoule scellée. L’ampoule est ensuite chauffée avec un gradient de température vertical, de s orte que les matériaux soient en phase liquide dans le haut de l’ampoule plutôt chaud, et soient sous forme solide dans le bas de l’ampoule, plutôt froid. L’ampoule est ensuite lentement tirée vers le bas, de la zone chaude vers la zone froide, afin de provoquer la cristallisation. L’ampoule est ensuite brisée pour récupérer le cristal. Le dopage est obtenu par incorporation directe des impuretés dopantes, le bore dans le bain de silicium. Mais le prix de r evient assez coûteux a poussé les industriels à s ’orienter vers d’autres variétés morphologiques du s ilicium permettant l’obtention de photopiles plus économiques. 

Les plaquettes

Les cellules photovoltaïques sont en général réalisées dans des wafers qui sont des plaquettes de silicium très fines (épaisseur de 200 à 350 µm, pour une surface allant 10 x 10 cm2 à 15 x 15 cm2), découpées dans des lingots de silicium. Ces lingots sont découpés perpendiculairement à leur axe de croissance. Les plaquettes sont ensuite dopées en face avant dans une zone superficielle avec du phosphore par diffusion d’impuretés qui le rend négatif (zone « N ») Les wafers sont ensuite « métallisés » : des rubans de m étal sont incrustés en surface et reliés à des contacts électriques. Une fois métallisé un wafers devient une cellule photovoltaïque, mais vu sa faible tension de fonctionnement (inférieure à 1 Volt) on e n associe plusieurs pour augmenter cette tension Les cellules sont combinées en série et en parallèle pour obtenir la tension et le courant voulus. Elles sont encapsulées entre une plaque de verre et un coffrage métallique pour former des modules ou panneaux photovoltaïques.

Dépôt de la couche antireflet

Afin de faciliter au maximum la pénétration des photons à t ravers la surface, ou plutôt de minimiser la réflexion des photons on dépose une couche antireflet sur la face avant des cellules PV. Elle est traditionnellement réalisée en oxyde de titane et déposée sur une surface dépolie. I-1-2 Les cellules de deuxième génération [4] Les couches minces constituent la seconde génération de cellule photovoltaïque. La technologie à couche mince désigne un type de cellule obtenu par dépôt d’une couche mince de matériau comme, le silicium amorphe (a-Si), le tellure de cadmium entres autres sur un s ubstrat de verre. Cette deuxième génération a b eaucoup d’avantages pour les applications en module flexible, avec la faible illumination ou avec des températures élevées. Le semi-conducteur est ainsi économisé car il n’est pas, comme pour les cellules au silicium cristallin, scié dans la masse de silicium. La technologie aux couches minces offre alors plus d’avantage économique et devrait permettre dans l’avenir de réduire significativement les coûts de pr oduction des cellules PV en raison du gain en silicium qu’elle offre. Seulement, le rendement est plus faible avec cette dernière mais la recherche prévoit une amélioration dans les prochaines années. Cette technologie représente seulement 21% du marché. I-1-2-1 Le silicium amorphe, a-Si Le silicium amorphe, es t une forme non c ristalline du s ilicium, il possède un coefficient d’absorption supérieur à c elui du silicium cristallin. Cependant, ce qu’il gagne en pouvoir d’absorption, il le perd en m obilité des charges électriques (rendement de conversion faible). Le compromis est toutefois viable. Les cellules PV au silicium amorphe sont moins chères que celle de cellules au silicium cristallin car leur fabrication nécessite moins de silicium et moins d’énergie. 

Méthodes de dépôt

Il existe plusieurs techniques de fabrication de photopiles en couches minces. a) Evaporation thermique sous vide Il consiste à év aporer le matériau à dép oser en l e portant à une t empérature convenable dans une enceinte à faible pression. Le principal inconvénient de cette méthode est lié aux écarts stoechiométriques souvent sur le substrat. b) Evaporation par bombardement de la cible Dans ce cas la cible (matériau à dépos er) est placée dans un creuset en c uivre refroidi pour éviter son évaporation. La cible est ensuite bombardée à sa surface par un faisceau d’électrons intense et énergétique émis par un filament à haute température. c) Dépôt électrochimique On plonge un s ubstrat sur lequel on v eut déposer le matériau dans une solution contenant les ions de ce dernier avec une forte concentration. A sa sortie du bain les couches obtenues sont recuites pour permettre la diffusion du dopant dans le semiconducteur. 

La troisième génération de cellules photovoltaïque

La troisième génération comprend les cellules organiques, les cellules grätzel et les cellules multi-jonction, elle vise à pas ser la limite maximale de rendement des cellules d’environ 30% et à réduire les coûts de fabrication. Mais cette génération de photopile n’est pas encore commercialisée. Plusieurs versions de cellules photovoltaïques sont envisagées : – les cellules à concentration c’est-à-dire la superposition de plusieurs cellules, – les cellules à électrons chauds produisant plus de paires électrons/trous, – conversion des photons pour ajuster le spectre de l a lumière solaire aux caractéristiques du semi conducteur.

Technique de fabrication des photopiles sur support plastique

Description de la technique

Cette technique repose sur celle des couches minces sur support plastique, utilisant la technique de dépô t par séparation sur des couches poreuses. Cette nouvelle méthode de fabrication n’utilise pas la photolithographie qui est très coûteuse. La photolithographie dans le cas des semi-conducteurs, désigne l’ensemble des opérations permettant de dél imiter latéralement des matériaux sur la surface d’un substrat. L’utilisation d’un film collant et amovible a rendu possible la fabrication de cette nouvelle cellule en se passant de la photolithographie. Ainsi une cellule solaire au silicium monocristallin de t aille assez élevée peut être fabriquée. Il s’agit d’une cellule solaire n-p-p+ au silicium monocristallin à couche mince sur support plastique.  Cette technique a permis aussi de fabriquer des cellules solaires de grande surface.

Les avantages

Cette technique de séparation des couches poreuses est une solution au problème du coût élevé de la fabrication des cellules solaires au s ilicium monocristallin à couche mince connues par leur grande qualité. Un autre avantage de ces cellules réside dans la facilité avec laquelle on peut les étaler sur de grandes surfaces mêmes non planes. Elles sont aussi flexibles. Cette technique a a insi permis de m ettre au point des cellules solaires au silicium monocristallin avec de bon rendement.