Energie photovoltaïque. Filière Physique des Composants Nanostructurés. PHELMA Septembre 2010

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1 Energie photovoltaïque Filière Physique des Composants Nanostructurés PHELMA Septembre 2010 Anne Kaminski 1, Mathieu Monville 2 1 INP Grenoble - INSA Lyon 2 Solarforce 1

2 PLAN DU COURS 1- Panorama de l énergie mondiale, contribution et intérêt de l énergie photovoltaïque. Rappels sur le rayonnement solaire. 2- Conversion photon électron, convertisseur PV idéal. Physique des cellules PV, calcul de la réponse spectrale, du courant photogénéré, du rendement. Paramètres caractéristiques. Pertes. 3-Cellules de 1 ère génération * Elaboration et caractérisation du silicium * Aspects technologiques et physiques des cellules de première génération 4- Cellules de 2ème et 3 ème génération * Cellules en couches minces en silicium, matériaux II-VI et organiques * Nouveaux concepts pour augmenter l absorption du rayonnement solaire et atteindre des hauts rendements. 2

3 Différentes générations de cellules : 1 ère génération : silicium massif Jonction PN «classique» Technologie mature 2 ème génération : couches minces - bas coûts Si amorphe Composés II-VI (CuInSb, In 2 S 3, CdTe ) 3 ème génération : rendements supérieurs aux cellules mono-composants Concentration : matériaux III-V Cellules tandem Architectures complexes Cellules organiques

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5 Les rendements : performances des cellules de laboratoire

6 Les rendements (projections): beaucoup de R&D encore à venir!

7 Critères de choix de matériau pour le PV : Conversion PV : rendement de conversion : η=p fournie /P incidente Adaptation du matériau au rayonnement solaire Cout du matériau Disponibilité Quantité de matériau nécessaire Temps de retour énergétique 1 à 3 ans selon localisation Toxicité des composants Recyclage

8 Introduction - perspectives Au cours des 10 dernières années le taux moyen de croissance annuel de production de cellules solaires a été supérieur à 40% (+ 69% de 2006 à 2007). Avec une telle croissance sur les 20 prochaines années la production mondiale pourrait atteindre 4,6 TWp soit une production électrique installée de 0, 8 TWy (calcul basé sur 4 heures d ensoleillement en moyenne par jour à 1 kw/m², typique du sud de l Europe), ce qui correspondra à 10% de la production mondiale d électricité Quels matériaux seront disponibles pour répondre à ce besoin?

9 Potential energy limits imposed by global silver (Ag) reserves for bulklike silicon photovoltaictechnologies. Matériaux «critiques»: Pénurie importante d In et de Te dans 10 ans Potential energy limits imposed for four different thin film photovoltaic technologies. Potential energy limits imposed to III-V multijunction cells for 200 sun concentrations. The third and fourth columns show the extrapolated potential of this technology if the substrates are ignored. Source: «Material challenges for Terawatt level deployment of photovoltaïcs» A. Feltrin & A. Freundlich. Univ. of Houston (TX, USA), 2007

10 Utilisation actuelle des matériaux : Production 2009 : 6GWc Le silicium > 90% de la production PV mondiale Abondance du silicium : 26% de la croûte terrestre (Silice) Prix Savoir-faire issu de la microélectronique Prix matériau (2006): Qualité solaire : /kg Silicium métallurgique : 1 /kg

11 Utilisation future des matériaux : équilibrage attendu 10

12 Perspectives : le Silicium Photovoltaïque (PV) 90-95% de la production de cellule PV est en silicium technologie durable Croissance de 30%/an de la production Problème d approvisionnement 30 /kg 70 /kg Réduire la consommation en matériau : 12 g Si/W (2005) 9 g Si/W Utiliser du silicium «basse pureté» : compréhension de l effet des impuretés Augmenter les capacités de production du EG-Si Développer des filières de production parallèles

13 Différents matériaux Silicium Silicium monocristallin Bonne qualité Cher Rendements 15-25% Silicium multicristallin Qualité intermédiaire Rendements 12-20% Silicium amorphe Couches minces Dépôt sur verre Rendement 6-10%

14 Un procédé industriel adapté au silicium multicristallin - cellules de 1 ère génération - 13

15 Filière Silicium Silicium source : Rebus de la microélectronique et Silicium métallurgique Désormais l industrie réalise une production exclusive au marché photovoltaïque 14

16 Silicium multicristallin : Solidification directionnelle : Fusion et stabilisation du bain 1450 C (10 à 20 h) Solidification Vitesse : 0,1 mm/min (30 à 40 h) Le silicium est placé dans un creuset et porté à 1500 C. Après la phase de fusion, le creuset est refroidi. On oriente de bas en haut la solidification pour lui donner une structure colonnaire multicristalline à gros grains.

17 Matériau multicristallin Défauts étendus Bon compromis coût/qualité par rapport au silicium monocristallin Matériau source Lingot Avant sciage Après sciage

18 Production des wafers Découpage des wafers par scies à fil (2-6 h) Fil : 180 µm + SiC Wafers : 180 à 300 µm 50% du silicium est perdu Les fils servent de véhicule à un mélange abrasif déposé en continu, qui rode et découpe le silicium en plaques carrées.

19 Industrie traditionnelle : étapes critiques Production de CO 2 et consommation d énergie Quartz Etapes pénalisantes 18

20 Voie traditionnelle d élaboration du silicium :

21 Développement de techniques de production/purification

22 Une solution pour l élaboration du silicium : Vers la simplification des procédés de purification du Si Le procédé consiste à traiter du silicium fondu à l aide d un plasma d argon avec des gaz réactifs (oxygène et hydrogène), pour former des composés volatiles avec les impuretés présentes en surface du silicium fondu. Procédé Emix

23 Alternative technologique au problème du sciage : les technologies «ruban» Ingot Based Exemple : String Ribbon 3

24 EFG : Edge Defined Filmfed Growth STR : String Ribbon RGS : Ribbon Growth on Substrate RST : Ribbon on Sacrificial Template Source : Hahn et al.,

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26 Exemple 2 : Ruban sur Substrat Temporaire (Solarforce) Potentiel d une telle technologie «ruban» : flexibilité de cellules Si polycristallines (<100µm) consommation de Si : 3 g / Wc 6

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29 Exemple de l apparation de la flexibilité en deça de 100 µm : wafer de silicium monocristallin poli jusqu à une épaisseur de 45µm Source : Willeke,

30 Les principales évolutions possibles et en effet envisagées pour la «filière silicium» : 1. Réduire drastiquement la consommation de silicium à toutes les étapes de la fabrication des plaques et / ou «obtenir» du silicium à bas prix cible : 7g/Wc 2. Augmenter le rendement de conversion, cible : 20% et plus 3. Automatiser au mieux la production, optimiser l architecture des cellules dont en particulier l interconnexion des cellules cible : cellule PV moins épaisses à contacts coplanaires reportés en face arrière 9

31 Vers la moindre consommation de matériau : 10

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33 Les rendements (comparatif): performances des modules Type de cellule-coût Rendement module commercial Module prototype maximum Record en laboratoire Cellules organiques % Silicium cristallin (couche mince) 7 % 9,4 % - Silicium amorphe (couche mince)- peu cher 5 à 9 % 10,4 % 13,4 % CdTe (Tellurure de Cadmium)- peu cher 6 à 9 % - 16,7 % CIS (Cuivre-Indium-Sélénium) peu cher 9 à 11 % 13,5 % 19,3 % Silicium polycristallin- moyen 11 à 15 % 16,2% 20,3 % Silicium mono cristallin- cher 12 à 20 % 22,7 % 24,7 % Cellule multijonction (technologie spatiale) GaAs - très cher - 25 à 30 % 39 %

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