Les cellules solaires à couches minces
Les cellules solaires sont l’élément central des panneaux photovoltaïques: c’est là où l’électricité est produite par effet photovoltaïque. Les cellules à couches minces sont caractérisées par une épaisseur réduite et une meilleure performance dans des conditions de faible éclairage. Fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs tels que le tellurure de cadmium (CdTe), le diséléniure de cuivre-indium-gallium (CIGS) ou le silicium amorphe (a-Si), elles offrent flexibilité, légèreté et esthétique. Elles permettent le développement de modules solaires souples.
Cependant, leur efficacité énergétique est généralement inférieure à celle des cellules en silicium cristallin. De plus, bien qu’elles soient moins sujettes à la dégradation induite par la lumière, leur durée de vie peut également être légèrement inférieure. Enfin, les cellules à couches minces sont moins compatibles avec certaines innovations, telles que les panneaux bifaciaux, les cellules coupées et la Tiling Ribbon Technology, en raison de leurs différences structurelles et de fabrication.
Structure des cellules solaires à couches minces
Les cellules solaires à couches minces sont composées de plusieurs couches de matériaux semi-conducteurs déposés sur un substrat. Voici une présentation logique de la composition d’une cellule à couches minces :
- Substrat : Le substrat est la base sur laquelle les autres couches sont déposées. Il peut être constitué de divers matériaux, tels que le verre, le plastique ou le métal, en fonction de l’application et des propriétés souhaitées.
- Couche de la barrière d’isolation : Cette couche est déposée sur le substrat pour empêcher les interactions indésirables entre le substrat et les couches semi-conductrices et pour garantir une bonne adhérence des matériaux déposés.
- Couche arrière de contact : La couche arrière de contact est déposée sur la barrière d’isolation et sert de connexion électrique pour le côté négatif de la cellule solaire. Elle est généralement constituée d’un matériau conducteur, tel que l’aluminium ou le molybdène.
- Couches semi-conductrices : Les couches semi-conductrices sont déposées sur la couche arrière de contact et constituent la partie active de la cellule solaire. Elles sont généralement constituées de matériaux à couches minces, tels que le tellurure de cadmium (CdTe), le diséléniure de cuivre-indium-gallium (CIGS) ou le silicium amorphe (a-Si). Ces matériaux ont des propriétés d’absorption de la lumière différentes, ce qui leur permet de convertir la lumière solaire en électricité.
- Couche avant de contact : La couche avant de contact est déposée sur les couches semi-conductrices et sert de connexion électrique pour le côté positif de la cellule solaire. Elle est généralement transparente et conductrice, à base d’oxyde d’étain et d’indium (ITO) ou d’autres matériaux conducteurs transparents.
- Revêtement antireflet : Un revêtement antireflet est appliqué sur la couche avant de contact pour réduire les réflexions de la lumière solaire et améliorer l’absorption de la lumière par les couches semi-conductrices. Cette couche permet d’optimiser la performance de la cellule solaire.
En résumé, la composition d’une cellule à couches minces suit une structure logique, en commençant par le substrat, la barrière d’isolation, les contacts arrière et avant, les couches semi-conductrices et enfin, le revêtement antireflet.
Les matériaux
Les matériaux utilisés pour les cellules solaires à couches minces varient en fonction du type de cellule. Voici quelques-uns des matériaux les plus couramment utilisés :
- Tellurure de cadmium (CdTe) : Le CdTe est un matériau semi-conducteur utilisé pour fabriquer des cellules solaires à couches minces. Il présente un excellent coefficient d’absorption de la lumière et un coût de production relativement faible.
- Diséléniure de cuivre-indium-gallium (CIGS) : Les cellules solaires CIGS sont fabriquées en déposant une couche mince de matériaux semi-conducteurs composés de cuivre, d’indium, de gallium et de sélénium. Les cellules CIGS présentent une bonne efficacité énergétique et une meilleure tolérance aux conditions environnementales variables.
- Silicium amorphe (a-Si) : Le silicium amorphe est une forme non cristalline du silicium utilisée pour fabriquer des cellules solaires à couches minces. Les cellules en a-Si ont une moindre efficacité énergétique par rapport aux cellules en silicium cristallin, mais elles sont moins coûteuses à produire et plus flexibles.
- Oxyde d’étain et d’indium (ITO) : L’ITO est un matériau conducteur transparent utilisé pour la couche avant de contact dans les cellules solaires à couches minces. Il permet la transmission de la lumière tout en assurant une connexion électrique avec le côté positif de la cellule.
D’autres matériaux sont également utilisés dans la fabrication des cellules à couches minces, tels que le verre, le plastique ou le métal pour le substrat, ainsi que des matériaux conducteurs pour les couches de contact, comme l’aluminium ou le molybdène.
Avantages et inconvénients des cellules à couches minces
Les cellules à couches minces offrent plusieurs avantages et inconvénients par rapport aux autres technologies de cellules photovoltaïques, tels que les cellules en silicium cristallin.
Avantages
- Flexibilité : Les cellules à couches minces peuvent être fabriquées sur des substrats flexibles, ce qui permet de créer des panneaux solaires pliables et souples.
- Poids réduit : Les cellules à couches minces sont généralement plus légères que les cellules en silicium cristallin, ce qui facilite leur transport et leur installation.
- Esthétique : Les cellules à couches minces ont un aspect plus homogène et peuvent être produites dans différentes couleurs, ce qui les rend plus attrayantes sur le plan esthétique.
- Performance à faible éclairage : Les cellules à couches minces ont une meilleure performance que les cellules en silicium cristallin dans des conditions de faible éclairage et d’ombrage partiel.
- Moindre dégradation induite par la lumière : Les cellules à couches minces sont généralement moins sujettes à la dégradation induite par la lumière, ce qui peut prolonger leur durée de vie.
Inconvénients
- Efficacité inférieure : Les cellules à couches minces ont généralement une efficacité énergétique inférieure à celle des cellules en silicium cristallin, ce qui signifie qu’elles produisent moins d’électricité par unité de surface exposée au soleil.
- Surface plus grande : En raison de leur efficacité inférieure, les cellules à couches minces nécessitent généralement une surface plus grande pour produire la même quantité d’énergie que les cellules en silicium cristallin, ce qui peut être un problème dans les espaces restreints.
- Durée de vie : Les cellules à couches minces peuvent avoir une durée de vie légèrement inférieure à celle des cellules en silicium cristallin en raison de leur sensibilité à certains facteurs de dégradation.
- Coût du système : Bien que les cellules à couches minces puissent être moins coûteuses à produire, le coût global d’un système photovoltaïque à base de cellules à couches minces peut être plus élevé en raison de la nécessité d’utiliser plus de surface et d’autres composants pour atteindre une production d’énergie équivalente.
- Limitations de la compatibilité : Les cellules à couches minces sont moins compatibles avec certaines innovations telles que les panneaux bifaciaux, les cellules coupées et la Tiling Ribbon Technology en raison de leurs différences structurelles et de fabrication.
La compatibilité avec d’autres innovations
Les cellules à couches minces présentent des différences structurelles et de fabrication par rapport aux cellules en silicium cristallin, ce qui peut limiter leur compatibilité avec certaines innovations telles que les panneaux bifaciaux, les cellules coupées et la Tiling Ribbon Technology.
- Panneaux bifaciaux : Les cellules à couches minces ont une absorption de la lumière plus uniforme sur l’ensemble de leur surface, ce qui rend l’effet bifacial moins bénéfique. De plus, leur structure et leur méthode de fabrication ne sont pas idéales pour permettre la transmission de la lumière à travers la face arrière du panneau.
- Cellules coupées : Les cellules à couches minces sont généralement moins sujettes aux problèmes de résistance interne et aux pertes par ombrage que les cellules en silicium cristallin, ce qui rend les avantages des cellules coupées moins pertinents pour cette technologie.
- Tiling Ribbon Technology : Les cellules à couches minces sont fabriquées en déposant des matériaux semi-conducteurs directement sur un substrat, ce qui les rend moins compatibles avec la Tiling Ribbon Technology. Cette technologie est principalement utilisée pour les cellules en silicium cristallin, qui sont fabriquées en coupant des plaquettes de silicium.
Cependant, cela ne signifie pas que des innovations ne pourraient pas être développées spécifiquement pour les cellules à couches minces à l’avenir.