Les cellules à multi-jonctions
Les cellules à multi-jonctions, également appelées cellules à couches multiples ou cellules à empilement, sont une technologie de cellules photovoltaïques avancée conçue pour améliorer l’efficacité de conversion de la lumière solaire en électricité. Elles sont composées de plusieurs couches de matériaux semi-conducteurs, chacune ayant une bande interdite différente, ce qui permet d’absorber et de convertir différentes longueurs d’onde de la lumière solaire.
L’idée principale derrière les cellules à multi-jonctions est d’exploiter au mieux le spectre solaire en optimisant l’absorption de la lumière dans chaque couche. Ainsi, elles peuvent convertir plus d’énergie solaire en électricité que les cellules photovoltaïques à jonction unique, telles que les cellules en silicium monocristallin ou polycristallin. En raison de leur rendement élevé, les cellules à multi-jonctions sont principalement utilisées dans des applications à haute performance, comme l’aérospatiale, où l’espace et le poids sont limités. Toutefois, leur coût de fabrication est généralement plus élevé que celui des cellules à jonction unique, ce qui limite leur adoption dans les applications photovoltaïques résidentielles et commerciale.
Composition d’une cellule à multi-jonctions
Une cellule à multi-jonctions est composée de plusieurs couches de matériaux semi-conducteurs empilées les unes sur les autres, chacune formant une jonction p-n pour la conversion de la lumière solaire en électricité. La structure et la composition de ces cellules sont conçues pour optimiser l’absorption de différentes longueurs d’onde du spectre solaire et ainsi améliorer l’efficacité globale.
Voici la composition d’une cellule à multi-jonctions, présentée de manière logique :
- Couche supérieure (substrat) : La couche supérieure est généralement constituée d’un matériau semi-conducteur à large bande interdite, comme le gallium indium phosphide (GaInP). Cette couche est conçue pour absorber les photons de haute énergie (courtes longueurs d’onde) du spectre solaire.
- Couche intermédiaire : La couche intermédiaire est composée d’un matériau semi-conducteur avec une bande interdite intermédiaire, comme le gallium arsenide (GaAs). Cette couche absorbe les photons de longueur d’onde moyenne qui traversent la première couche sans être absorbés.
- Couche inférieure : La couche inférieure est constituée d’un matériau semi-conducteur à faible bande interdite, comme le germanium (Ge) ou l’indium gallium arsenide (InGaAs). Cette couche capte les photons de basse énergie (longues longueurs d’onde) qui ont traversé les couches supérieures sans être absorbés.
Les couches sont connectées en série par des jonctions tunnel, permettant un flux de courant efficace entre elles. Les électrons et les trous générés par l’absorption de photons dans chaque couche sont séparés par les jonctions p-n, créant une tension et un courant électrique. Cette structure multicouche permet aux cellules à multi-jonctions de convertir une plus grande partie du spectre solaire en électricité, augmentant ainsi leur efficacité par rapport aux cellules à jonction unique.
Les matériaux utilisés pour les cellules à multi-jonctions
Les cellules à multi-jonctions utilisent une combinaison de matériaux semi-conducteurs pour optimiser l’absorption des différentes longueurs d’onde du spectre solaire. Les matériaux couramment utilisés dans la fabrication de ces cellules sont principalement des composés III-V, qui tirent leur nom des groupes III et V de la classification périodique des éléments. Voici quelques-uns des matériaux fréquemment utilisés :
- Gallium indium phosphide (GaInP) : Ce matériau à large bande interdite est généralement utilisé dans la couche supérieure des cellules à multi-jonctions pour absorber les photons de haute énergie (courtes longueurs d’onde).
- Gallium arsenide (GaAs) : Ce matériau semi-conducteur à bande interdite intermédiaire est souvent utilisé dans la couche intermédiaire pour absorber les photons de longueur d’onde moyenne.
- Indium gallium arsenide (InGaAs) ou germanium (Ge) : Ces matériaux à faible bande interdite sont couramment utilisés dans la couche inférieure des cellules à multi-jonctions pour capter les photons de basse énergie (longues longueurs d’onde).
Les cellules à multi-jonctions peuvent également inclure d’autres matériaux semi-conducteurs, tels que l’indium gallium nitride (InGaN) ou l’aluminium gallium arsenide (AlGaAs), en fonction des besoins spécifiques de l’application et des objectifs d’efficacité. Les progrès récents dans le domaine des matériaux et de la nanotechnologie permettent également d’explorer de nouvelles combinaisons de matériaux pour améliorer encore l’efficacité et la performance des cellules à multi-jonctions.
Avantages et inconvénients des cellules à multi-jonctions
Avantages
- Efficacité élevée : Les cellules à multi-jonctions ont une efficacité de conversion photovoltaïque supérieure à celle des cellules en silicium cristallin, atteignant souvent plus de 40 %. Cela est dû à leur capacité à absorber et convertir une plus grande partie du spectre solaire en électricité.
- Performance dans des conditions de lumière variables : Ces cellules présentent généralement une meilleure performance sous des conditions de lumière variables, comme l’éclairage concentré ou indirect, grâce à leur capacité à capter et convertir efficacement la lumière sur une large gamme de longueurs d’onde.
- Résistance à la température : Les cellules à multi-jonctions ont une meilleure résistance à la dégradation liée à la température, ce qui peut les rendre plus adaptées aux environnements à haute température.
Inconvénients
- Coût élevé : Les cellules à multi-jonctions sont plus coûteuses à produire en raison de la complexité de leur fabrication et des matériaux utilisés, tels que les composés III-V (par exemple, GaAs, InP). Cela peut rendre leur adoption limitée aux applications spécifiques et à haut rendement, comme l’aérospatiale ou la concentration photovoltaïque (CPV).
- Complexité de fabrication : La fabrication des cellules à multi-jonctions nécessite des procédés de croissance épitaxiale et des équipements spécialisés, ce qui augmente leur coût de production et les rend plus difficiles à produire en grande quantité.
- Compatibilité limitée : les cellules à multi-jonctions peuvent ne pas être aussi compatibles avec certaines innovations, telles que les panneaux bifaciaux, les cellules coupées ou la Tiling Ribbon Technology, en raison de leur structure et de leur coût élevé.
Les innovations compatibles avec les cellules à multi-jonctions
Les panneaux bifaciaux, les cellules coupées et la Tiling Ribbon Technology sont principalement développés et optimisés pour les cellules en silicium cristallin, telles que les cellules monocristallines et polycristallines. Cependant, il est possible d’envisager leur application avec les cellules à multi-jonctions, bien que cela puisse présenter des défis techniques et économiques.
Les cellules à multi-jonctions pourraient théoriquement être utilisées dans des panneaux bifaciaux, mais leur coût élevé et leur structure complexe pourraient rendre cette combinaison moins économiquement viable que l’utilisation de cellules en silicium cristallin. De plus, les gains de performance offerts par la bifacialité pourraient être limités en raison des caractéristiques d’absorption des cellules à multi-jonctions.
Les cellules à multi-jonctions pourraient également être coupées pour réduire la résistance interne et les pertes par ombrage. Cependant, étant donné le coût élevé de ces cellules et la complexité de leur fabrication, cette approche pourrait ne pas être rentable.
La Tiling Ribbon Technology pourrait être adaptée pour connecter les cellules à multi-jonctions, réduisant les pertes d’efficacité dues à la soudure et augmentant la surface active des cellules. Cependant, comme pour les cellules coupées, les coûts élevés et la complexité de fabrication des cellules à multi-jonctions pourraient rendre cette combinaison moins économiquement viable.