Les cellules photovoltaïques: l’élément différenciant

Les cellules photovoltaïques sont l’élément basique des panneaux photovoltaïques. Ce sont des dispositifs semi-conducteurs qui convertissent l’énergie solaire en électricité. Elles sont généralement fabriquées à partir de matériaux tels que le silicium cristallin (monocristallin ou polycristallin), le silicium amorphe, le tellurure de cadmium ou le diséléniure de cuivre indium gallium. Les cellules sont assemblées pour former des panneaux solaires, qui sont ensuite intégrés dans des systèmes pour produire de l’électricité renouvelable.

En bref: différents types de cellules photovoltaïques et innovations

Il y a essentiellement 4 types de cellules photovoltaïques:

• Cellules « traditionnelles », en silicium monocristallin ou polycristallin : Ces cellules sont fabriquées à partir de wafers de sicilium découpés dans des lingots de silicium monocristallin ou polycristallin.
• Cellules en couches minces : Ces cellules sont fabriquées en déposant des couches très minces de matériaux semi-conducteurs, tels que le tellurure de cadmium (CdTe), le diséléniure de cuivre et d’indium (CIS) ou le diséléniure de cuivre, d’indium et de gallium (CIGS), sur un substrat. Les cellules en couches minces ont généralement une efficacité énergétique inférieure à celle des cellules en silicium, mais elles sont plus flexibles, légères et moins coûteuses à produire.
• Cellules à hétérojonction : Ces cellules combinent des couches de silicium amorphe et cristallin pour créer une cellule solaire avec une meilleure efficacité énergétique. Elles présentent des avantages tels que des tensions de circuit ouvert plus élevées et une meilleure tolérance à la température par rapport aux cellules en silicium traditionnelles.
• Cellules à multi-jonctions : Ces cellules utilisent plusieurs couches de matériaux semi-conducteurs ayant des bandes interdites différentes pour capter une plus grande partie du spectre solaire. Elles sont principalement utilisées dans les applications spatiales et de concentration photovoltaïque (CPV) en raison de leur efficacité énergétique élevée, mais elles sont plus coûteuses à produire.

Les composants génériques

Toutes les cellules photovoltaïques sont relativement similaires sur plusieurs points :

• Couche supérieure antireflet : Cette couche est appliquée à la surface de la cellule pour réduire la réflexion de la lumière et permettre une meilleure absorption de l’énergie solaire.
• Contact avant : Il s’agit d’une grille métallique déposée sur la surface de la cellule. Elle collecte les électrons générés par l’effet photovoltaïque et permet leur transfert vers l’extérieur de la cellule. La grille est conçue pour minimiser la surface couverte afin de maximiser l’exposition à la lumière.
• {C’est ici en général que se trouve le « coeur » de la cellule. Exemple: les couches de semi-conducteurs N et P et leur jonction pour les cellules traditionelles}
• Contact arrière : Il s’agit d’une couche métallique déposée à l’arrière de la cellule qui collecte les électrons et les transfère vers l’extérieur de la cellule. Le contact arrière couvre généralement toute la surface arrière de la cellule pour assurer une bonne conductivité électrique.
• Couche arrière : Cette couche protège la cellule contre les dommages mécaniques et environnementaux, et peut également servir de barrière contre l’humidité pour éviter la corrosion.
• Encapsulation : Les cellules photovoltaïques sont généralement encapsulées entre des couches de matériaux protecteurs, tels que l’EVA (éthylène-acétate de vinyle) ou le PVB (polyvinyle butyral), pour protéger les cellules contre l’humidité, la poussière et les impacts mécaniques.

La composition des cellules photovoltaïques mono ou polycristallines

Une cellule photovoltaïque est composée de plusieurs couches et éléments qui travaillent ensemble pour convertir la lumière solaire en électricité. Voici les principaux composants d’une cellule photovoltaïque :

1. Semi-conducteur n-type : C’est une couche de matériau semi-conducteur qui a été dopée avec des impuretés pour donner un excès d’électrons. Dans les cellules en silicium, le silicium est généralement dopé avec du phosphore pour former la couche n-type.
2. Jonction p-n : La jonction p-n est formée à l’interface entre les couches de semi-conducteurs n-type et p-type. C’est à cette jonction que l’effet photovoltaïque se produit, générant une tension électrique lorsqu’elle est exposée à la lumière.
3. Semi-conducteur p-type : C’est une couche de matériau semi-conducteur qui a été dopée avec des impuretés pour créer un déficit d’électrons (ou un excès de trous). Dans les cellules en silicium, le silicium est généralement dopé avec du bore pour former la couche p-type.

La différence entre cellules monocristallines et polycristallines réside dans la conception du wafer de sicilium. Dans le premier cas, il est conçu à partir d’un lingot de silicium utilisant le procédé de Czochralski et dans le second cas avec la méthode de solidification dirigée. En bref, la seconde méthode fait moins de pertes et coute moins cher, mais donnes des résultats de moins grande qualité.

La technologie PERC, spécifiques aux panneaux traditionnels, ajoute une couche diélectrique passivante à l’arrière de la cellule pour réduire la recombinaison des porteurs de charge et augmenter l’efficacité énergétique.

Les cellules à multi-jonctions

Les cellules à multi-jonctions, également appelées cellules à couches multiples ou cellules tandem, sont des cellules photovoltaïques avancées qui utilisent plusieurs jonctions et matériaux semi-conducteurs pour capter et convertir différentes parties du spectre solaire. La structure de base d’une cellule à multi-jonctions comprend plusieurs sous-cellules empilées les unes sur les autres, chacune étant sensible à une plage de longueurs d’onde spécifique de la lumière solaire. Voici une description détaillée des composants clés d’une cellule à multi-jonctions :

1. Sous-cellules : Les sous-cellules sont les éléments clés des cellules à multi-jonctions. Chaque sous-cellule est composée d’un matériau semi-conducteur spécifique qui absorbe une plage de longueurs d’onde particulière du spectre solaire. Les sous-cellules sont empilées les unes sur les autres de manière à ce que la sous-cellule du dessus capte les longueurs d’onde les plus courtes et les plus énergétiques, tandis que les sous-cellules inférieures capturent progressivement les longueurs d’onde plus longues et moins énergétiques.
2. Jonctions tunnel : Les jonctions tunnel sont des couches minces conductrices qui relient électriquement les sous-cellules adjacentes. Elles permettent le passage des porteurs de charge (électrons et trous) entre les sous-cellules sans perte significative d’énergie, assurant ainsi une efficacité de conversion élevée.

Les cellules à multi-jonctions sont souvent fabriquées à partir de matériaux à base de composés III-V, tels que le gallium arsenide (GaAs), l’indium phosphide (InP) ou le gallium indium phosphide (GaInP). Ces matériaux présentent des propriétés optiques et électroniques avantageuses, permettant d’atteindre des rendements très élevés, parfois supérieurs à 40 % dans des conditions de laboratoire.

Cependant, les cellules à multi-jonctions sont plus complexes et coûteuses à produire que les cellules photovoltaïques traditionnelles en silicium. En conséquence, leur utilisation est principalement limitée aux applications de concentration photovoltaïque (CPV), où la lumière solaire est concentrée sur les cellules à l’aide de lentilles ou de miroirs pour augmenter la puissance incidente et maximiser l’efficacité de conversion.

Les cellules à hétérojonction

Les cellules à hétérojonction sont des cellules photovoltaïques qui combinent différents types de matériaux semi-conducteurs pour améliorer les performances et l’efficacité énergétique. Dans le cas des cellules à hétérojonction de silicium, une couche mince de silicium amorphe est déposée sur un substrat en silicium cristallin (monocristallin ou polycristallin). Voici une description détaillée des composants clés d’une cellule à hétérojonction :

1. Substrat en silicium cristallin : Le substrat en silicium cristallin est la base de la cellule et est responsable de la conversion d’une grande partie de l’énergie solaire en électricité. Il peut être monocristallin ou polycristallin.
2. Couches de silicium amorphe (a-Si) : Les couches de silicium amorphe sont déposées de chaque côté du substrat en silicium cristallin. Elles ont plusieurs fonctions, notamment la passivation des défauts à la surface du silicium cristallin, l’amélioration de la séparation des charges et la formation de la jonction hétérojonction. Le silicium amorphe présente une large bande interdite, ce qui permet une meilleure gestion des défauts et une efficacité de conversion énergétique améliorée.
3. Couches de dopage : Les couches de dopage, généralement de type p (positif) et de type n (négatif), sont ajoutées de part et d’autre du substrat en silicium cristallin, sous les couches de silicium amorphe. Elles créent un champ électrique interne qui facilite la séparation des porteurs de charge et la circulation du courant électrique.

Les cellules à hétérojonction présentent plusieurs avantages par rapport aux cellules photovoltaïques traditionnelles en silicium, notamment une meilleure gestion des défauts, une efficacité de conversion énergétique supérieure et une moindre sensibilité à la température. Cependant, leur fabrication peut être plus complexe et coûteuse en raison de la nécessité de déposer des couches de silicium amorphe et d’autres matériaux sur le substrat en silicium cristallin.

Les cellules à couches minces

Les cellules en couches minces sont des cellules photovoltaïques composées de matériaux semi-conducteurs déposés sous forme de couches ultra-minces sur un substrat, souvent en verre, en plastique ou en métal. Voici une description détaillée des composants clés d’une cellule en couches minces :

1. Substrat : Le substrat est le support sur lequel les couches minces sont déposées. Il peut être en verre, en plastique ou en métal, et sert de base solide pour la cellule photovoltaïque.
2. Couches semi-conductrices : Les couches semi-conductrices sont déposées sur le substrat. Elles sont responsables de la conversion de l’énergie solaire en électricité. Les matériaux semi-conducteurs couramment utilisés pour les cellules en couches minces incluent le tellurure de cadmium (CdTe), le diséléniure de cuivre indium gallium (CIGS) et le silicium amorphe (a-Si).
3. Couches de dopage : Les couches de dopage, généralement de type p (positif) et de type n (négatif), sont ajoutées dans les couches semi-conductrices pour créer un champ électrique interne qui facilite la séparation des porteurs de charge et la circulation du courant électrique.

Les cellules en couches minces offrent plusieurs avantages par rapport aux cellules photovoltaïques traditionnelles en silicium, notamment un moindre coût de fabrication, une meilleure performance à faible éclairage et une moindre dégradation de la performance à haute température. Cependant, l’efficacité de conversion énergétique des cellules en couches minces est généralement inférieure à celle des cellules en silicium cristallin.

Les innovations des cellules photovoltaïques

Outre les cellules PERC, spécifiques aux cellules traditionnelles, il y a plusieurs innovations qui concernent les cellules photovoltaïques en général:

• Les demi-cellules (half-cell ou half-cut)
• Les panneaux bifaciaux
• La Tiling Ribbon Technology

Les demi-cellules photovoltaïques

Les demi-cellules photovoltaïques sont une innovation récente qui vise à améliorer la performance et l’efficacité des panneaux solaires. Cette technologie consiste à diviser une cellule photovoltaïque standard en deux parties égales, réduisant ainsi la résistance interne et les pertes de puissance dues à l’ombrage partiel. Les demi-cellules sont ensuite assemblées en panneaux solaires de manière similaire aux cellules entières.

L’intérêt des demi-cellules réside dans leur capacité à minimiser les pertes d’énergie et à améliorer la performance globale des panneaux solaires. En réduisant la résistance interne et les pertes par ombrage, les demi-cellules permettent une meilleure production d’énergie, surtout dans des conditions d’éclairage non idéales. De plus, les panneaux solaires équipés de demi-cellules présentent une meilleure tolérance à la température et une plus grande fiabilité, ce qui les rend attrayants pour les propriétaires et les investisseurs dans l’énergie solaire.

La technologie des demi-cellules est principalement appliquée aux cellules photovoltaïques en silicium cristallin, telles que les cellules monocristallines et polycristallines. Cependant, elle n’est généralement pas utilisée pour les cellules en couches minces, à hétérojonction ou à multi-jonctions, en raison des différences dans la structure et la fabrication de ces types de cellules.

Panneaux bifaciaux

Les panneaux solaires bifaciaux sont capables de capter et convertir la lumière solaire des deux côtés de la cellule, ce qui permet d’augmenter leur production d’énergie. Les cellules bifaciales sont généralement réalisées en silicium cristallin et bénéficient de technologies spécifiques, comme les cellules PERC ou à hétérojonction, pour optimiser leur rendement. Au contraire, elle est peu compatible avec les cellules en couches minces et à multi-jonctions. Les panneaux bifaciaux offrent une production d’énergie supérieure et une meilleure performance dans des conditions de faible éclairage ou d’ombrage partiel.

Tiling Ribbon Technology

La Tiling Ribbon Technology vise à éliminer les espaces entre les cellules photovoltaïques en utilisant des rubans conducteurs soudés directement sur les cellules, réduisant ainsi les pertes de puissance causées par la résistance électrique. Cette technologie est particulièrement adaptée pour les cellules en silicium cristallin, comme les cellules monocristallines et polycristallines. Elle offre un meilleur rendement, une réduction des pertes par ombrage et une esthétique améliorée en raison de l’absence de soudure visible. Au contraire, elle est moins avantageuse pour les cellules en couches minces et à multi-jonctions en raison des différences de structure et de fabrication de ces cellules.

Les cellules à contact arrière

Dans les cellules à contacts avant, les contacts électriques sont principalement situés sur la face avant de la cellule (côté exposé à la lumière solaire). Ces contacts, souvent sous forme de grilles fines ou de doigts métalliques, collectent les électrons générés lors de l’absorption de la lumière solaire. Cependant, cette disposition présente un inconvénient : les contacts métalliques sur la face avant bloquent une partie de la lumière solaire, réduisant ainsi l’efficacité globale de la cellule.

Pour surmonter ce problème, les cellules à contacts arrière ont été développées. Dans cette conception, tous les contacts électriques sont placés sur la face arrière de la cellule, éliminant ainsi les pertes d’efficacité dues à l’ombrage des contacts métalliques sur la face avant. En conséquence, la surface avant de la cellule est complètement dédiée à l’absorption de la lumière solaire, améliorant ainsi l’efficacité énergétique. Les cellules à contacts arrière nécessitent des techniques de fabrication plus complexes, mais offrent généralement une meilleure performance que les cellules à contacts avant.

Les innovations et leurs interactions