Electricité Solaire Photovoltaïque. Bernard Equer, CNRS

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1 Electricité Solaire Photovoltaïque Bernard Equer, CNRS Photovoltaïque- B.Equer Journées Optique (3-5 Juin 2009) 1

2 Plan Etat des lieux : les filières industrielles le marché photovoltaïque la filière du silicium massif les couches minces industrielles La recherche : Cellules solaires organiques Vers les hauts rendements Conclusions

3 Etat des lieux: les filières industrielles Photovoltaïque- B.Equer Journées Optique (3-5 Juin 2009) 3

4 Conversion Directe (quantique) de la lumière en électricité un matériau convertisseur de photons en électrons un dispositif (ou structure) collectant les charges dans le cas d'un semiconducteur cristallin : d'où des exigences fortes sur le matériau : absorbant Photovoltaïque- B.Equer haute pureté Journées Optique (3-5 Juin 2009) haute cristallinité 4

5 Cellule silicium

6 La cellule standard : Silicium cristallin (mono ou multi) 0,15 à 0,3mm d'épaisseur 10 cm x10 cm à 15 cm x15 cm les cellules sont interconnectées en série-parallèle dans des modules sous verre. Rendement : R = E élec / Esol Commercial 12 20% (120Wc / m2 à 200Wc / m2) record R&D 24% max. théorique pour cette filière Energie produite par an : Nb de kwh produits = Puissance crête x Nb heures de soleil/an (120 à 200 kwh/m2 par an à Paris)

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8 Production mondiale (d'après EPIA)

9 Parc Mondial (d'après EPIA)

10 Un marché aidé croissance très rapide : la production double tous les deux ans plus de 5 GWc* en 2008 (5000 hectares de modules) 15 GWc installés, > 15 TWh produits par an ( 1,7 Mtep sur 6Gtep mondial) essentiellement connectés au réseau. (Pb du stockage!!) c'est un marché «aidé» en vue de développer une industrie compétitive rachat des kwh produits à prix >> prix de vente usuel en France, depuis 2005, dispositif réglementaire favorable visant l'intégration au bâti (30 c /kwh + 25 c /kwh si intégré bâti). aides fiscales * 1kW-crête = puissance max (ciel clair, soleil au zénith

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12 vers la compétitivité déjà compétitif avec prix heures de pointe en Californie compétitif avec prix de base vers 2030? ( si <1 /Wc ) mais il faut analyser comment l'électricité PV s'intègre dans un schéma de fourniture d'électricité.

13 la filière du silicium massif domine le marché Silicium cristallin 89,6% ( 95% en 2005) Monocristallin : dérivé la filière électronique multicristallin : matériau coulé en lingots. Grains mm à cm.

14 Les handicaps du silicium massif Le silicium est un mauvais matériau optoélectronique : A cause de son gap indirect, il absorbe peu la lumière ( λabs 50 µm ) Pour réussir à collecter les porteurs, il faut : Ldiff > λabs 50 µm Une haute pureté (grand ce qui impose rec > 1µs ) et une excellente cristallinité (grande µ) sont rec donc nécessaires : d'où une grande épaisseur d'un matériau cher......dont on commence par jeter la moitié pour scier les plaquettes dans des lingots ( 30% du coût cellule). Conclusion : Les cellules en silicium cristallin resteront chères (> 1 /Wc)

15 La solution : les couches minces Utiliser des couches minces d'un matériau semiconducteur : à «gap direct» ( λabs 1µm) avec Eg 1,5eV déposé sur un substrat bon marché, micro, nano-cristallisé et sans (trop) de défauts. pas épitaxié (c'est une autre filière, hauts rendements et petites dimensions, adapté à la conversion sous concentration) trois matériaux ont été rapidement identifiés (années 1970) dans les chalcogénures. Ils présentent tous une excellente cristallinité, même par dépôt à basse température : Cu2S dans CdS/Cu2S abandonné ( 1980) après début d'industrialisation, car pas stable. CdTe CuInSe2 (CIS ou CIGS) plus le silicium amorphe hydrogéné, découvert (par hasard) au début des années 70.

16 La filière du Tellurure de Cadmium bonnes caractéristiques (Eg, λabs, µ) pas dopable n mais hétérojonction CdS Performances : R&D 16,5% Meilleurs modules 11,5% modules commerciaux 9,5% Procédés de Fabrication : Spray Sérigraphie (Matsushita) dépôt électrolytique (BP Solar) Sublimation (First Solar) Pulvérisation, CVD, ALS,... Industrie : FirstSolar, capacité. 1GWc (2009) Coût direct 0,75$/Wc, d'où le kwh à 22c$ Développement bridé par crainte des réglements anti Cadmium (First Solar rachète les modules en fin de vie)

17 Cu(In1-xGax)Se2 Excellente cristallinité Bande interdite ajustable par alliage In-Ga (optimum 1,2eV) a abs qq µm Bonnes mobilités Grande tolérance : aux joints de grain et intragrains aux contraintes mécaniques (d'où produits flexibles) aux défauts de stoechiométrie

18 Cu(In1-xGax)Se2 Rendements R&D 19,3% (NREL) Meilleurs modules 13% Modules commerciaux >10% Fabrication Spray (pulv. réactive) co-évaporation et sélénisation électrolyse (IRDEP) Jet d'encre (Nanosolar) R&D Eviter CdS indium, faible disponibilité

19 Le silicium amorphe hydrogéné Découvert par hasard à la fin des années 60, le silicium amorphe produit par PECVD de SiH4 est passivé par l'hydrogène. il est à transition directe, λ abs < 1µm bande interdite ajustable par alliage Si-Ge (Eg de 1,2 ev à 1,9eV) il est dopable p et n structures p-i-n (collecte des porteurs par le champ) peut-être déposé à <150 C sur du verre, en général par PECVD de silane (vd 1nm/s) le dopage, les alliages, la gravure se font par simple changement des gaz en PECVD (SiH4, GeH4, PH3, B2 H5, NF3,...) Prix du désordre : mobilités faibles µ e 1cm2V-1s-1-8% et matériau métastable : m (t) diminue 9% 8-6% ( rendement stabilisé )

20 Les cellules multijonctions (a-si:h)

21 Le dépôt «roll to roll» (a-si:h) UniSolar Sanyo

22 Dépôt sur ruban inox ou plastique

23 La nouvelle filière a-si:h / µ-si:h la cristallisation partielle (micro-nanograins) matériaux hétérogènes polymorphes, η 10% stable couches a-si : H/ µ-si:h, cellules micromorphes la filière reste attractive : - Savoir faire acquis considérable des procédés PECVD Usines clés en mains (Oerlikon, Applied Materials, Jusung) la R&D : - essaye d'améliorer les vitesses de dépôt et le temps de cycle. - optimise les structures

24 Machine de dépôt Applied Materials (substrats 5,6m2)

25 SunFab (Applied Materials)

26 Le «cas» du silicium en couches minces malgré sa grande longueur d'absorption, le silicium cristallin reste un matériau attrayant : abondant, peu cher, technologie hyper-développée,... on peut améliorer l'absorption par piégeage optique (texturisation à l'avant et réflecteur texturisé à l'arrière) et espérer des rendement 10% avec 5 microns d'après J.Joly

27 Le cas du silicium en couches minces depuis les débuts du PV, plusieurs dizaines de techniques ont été développées : projection par torche à plasma, poudre recuite par électrons, par laser, par lampes, frittage, laminage à chaud, dépôt HWCVD, LPCVD,... mais aucune n'a encore débouché sur un procédé viable! l'atome de silicium est un pur sp3, ses liaisons sont rigides et le désordre génère un taux élevé de liaisons brisées qui sont des états dans la bande interdite. Il faut : - hydrogéner et déposer très lentement : microcristallin, amorphe - ou déposer en vrac et recristalliser : procédé CSG (Crystalline Silicon on Glass), 10% démontré, mais passage en production difficile

28 Les rubans : des couches semi-minces

29 g1 Acquis technologiques communs à toutes les filières en couches minces l'interconnexion monolithique. La surface est découpée en bandes par des gravures (laser, mécanique,...) après chaque dépôt, Les bandes sont interconnectées en série moins de pertes ohmiques dans les couches électrodes et tension adaptée aux usagers. les cellules multispectrales qui ouvrent la voie vers des rendements élevés. empilement de cellules avec : > Eg2 > Eg3 haque cellule convertit une bande spectrale et transmet le reste) Empilement mécanique ou monolithique

30 Un démarrage tardif? Les trois filières ont connu une industrialisation lente jusque vers Raisons spécifiques : crainte d'une réglementation excluant le Cd pour la filière CdTe apparente complexité pour CIGS difficulté pour atteindre un rendement >6% stabilisé pour a-si:h Raisons générales : Concurrence du cristallin Doutes sur un marché pour des produits à η < 10% investissements importants au démarrage, en particulier : pour les techniques sous vide, pour les procédés roll-to roll (Firstsolar et Appl. Materials utilisent des procédés batch) : démarrage précipité et difficultés à optimiser un procédé avec une chaîne déjà en production.

31 Modules en couches minces, quelques produits industriels (parmi 60 industries) : Record Labo Industrie ex-shell Solar (Avancis) CIGS 19,5% (NREL) Würth Solar Nanosolar CdTe 16,5% First Solar (NREL) Antec Meilleur module 12,90% 9,40% 100 Mwc 13,00% 11,00% 18 Mwc 14,6% (cellule) 13,50% UniSolar (triple jonction) 12,7% Sanyo Kaneka (simple jonction) 430 Mwc 10,20% 9,00% 7,30% 6,90% Applied Materials SunFab a-si:h Capacité de Module production commercial Mwc 6-10% 7,90% 6,30% 300 Mwc 6,30% 70 Mwc

32 Prévisions : 20 % en 2010, puis??

33 La recherche Matériaux organiques (bas coûts)

34 Semiconducteurs organiques Des cellules organiques mimétiques des inorganiques?? des semiconducteurs organiques sont connus depuis les années 70 : - polymères comme le polyacétylène, - cristaux moléculaires comme les phtalocyanines Forte absorption optique, ajustable en λ Bon marché Faciles à déposer substrats souples adaptés Faibles mobilités Forte sensibilité à l'hygrométrie, aux UV Durée de vie?? avant 1990, rendements <1%, peu stables

35 Bi-couches donneur-accepteur Création d'excitons très liés (0,1-1eV) Diffusion des excitons sur qq nm Faible épaisseur utile et faible absorption Dissociation des excitons sur l'interface donneur-accepteur Mobilités faibles Forte résistance série Rendements 5% Il faut chercher une absorption en volume Ou améliorer les propriétés

36 Un des meilleurs couples donneur-accepteur :

37 Cellules à Colorants : hybrides organiquesinorganiques En 1991, les cellules à colorants de Graetzel introduisent un nouveau concept : la conversion photon-électron et la séparation électron-trou par des molécules de colorant greffées sur TiO2 nanocristallin. Pas de recombinaison! Rendements 11% Plusieurs licenses vendues, pas d'industrialisation (?) Le remplacement de l'électrolyte liquide par elec. solide s'avère difficile. Photovoltaïque- B.Equer Journées Optique (3-5 Juin 2009) 37

38 Réseaux interpénétrès Absorption volumique par un mélange de donneur-accepteur plusieurs couples D-A avec dérivé des fullérènes (PCBM) comme accepteur η = 5,3% avec P3HT au lieu de MDMO-PPV prévisions η 10% Konarka : produits flexibles, roll-to-roll, dépôt par ink-jet 1/2Wc à 30Wc Photovoltaïque- B.Equer Journées Optique (3-5 Juin 2009) 38

39 Réseaux interpénétrès réel et idéal collecte par percolation modèle idéalisé : des colonnes (fils) avec un contact redresseur et un contact ohmique Photovoltaïque- B.Equer Journées Optique (3-5 Juin 2009) 39

40 La Recherche : Vers les hauts rendements

41 Hauts rendements?? Combien? le rendement théorique maximum de la conversion photon-électron est de l'ordre de 85% (le rendement de Carnot est 95%) augmenter le rendement permet aussi d'abaisser le coût par Wc Deux solutions éprouvées : 1- le concept multispectral : on empile des cellules Eg1> Eg2 > Eg3... > Egn (sous empilements monolithique ou non-monolithique : séparation par filtres et miroirs concentration) Théorie : T > 40% pour quatre cellules N'est optimum que pour une distribution spectrale donnée 2- Concentration par lentilles ou miroirs (même courant, mais V croît comme Log C) Expérimental : E 40,7% avec triple cellule sous 256 soleils mais exige héliostats pour suivre le soleil Photovoltaïque- B.Equer Journées Optique (3-5 Juin 2009) 41

42 Modules à concentration Voc augmente sous concentration C du flux solaire, Voc = Voc AM1.5 + (kt/q) Log (C) Icc inchangé, donc le rendement augmente Concentration par lentilles, miroirs, guides de lumière,... - Expérimental : 40,7% avec triple cellule III-V sous 256 soleils (Spectrolab, qui équippe 60% des satellites en vol)) - exige un héliostat pour suivre le soleil et un refroidissement actif - évite le facteur en cos, d'où : gain sur le productible (35-45%) meilleur facteur de forme de la production Perd le diffus : efficace en climat désertique Photovoltaïque- B.Equer Journées Optique (3-5 Juin 2009) 42

43 PARC Neffiz (Israël) Photovoltaïque- B.Equer Journées Optique (3-5 Juin 2009) 43

44 Pertes dans un convertisseur PV p-n ou p-i-n Photovoltaïque- B.Equer Journées Optique (3-5 Juin 2009) 44

45 Conversion optique Optimiser le spectre de photons solaires, en ramenant le spectre vers h s Eg. «down conversion» : 1 photon UV produit 2 photons à Eg (multi-photon emission, cascade emission) - Emetteurs ioniques à terres rares (Er3+, Eu3+,...),... - La simple fluorescence : 1 photon UV produit 1 photon Eg, permettrait d'éviter la perte technique due aux photons absorbés en surface. «Up-Conversion» : 2 photons à Eg/2 produisent 1 photons Eg (Multi-photon excitation). Peu de matériaux candidats à faible intensité (<100mW/cm2) Difficulté : Faible efficacité, diminue la transparence pour le reste du spectre. Photovoltaïque- B.Equer Journées Optique (3-5 Juin 2009) 45

46 Récupérer les photons IR Grâce à des niveaux quantiques intermédiaires. Matériaux à trois bandes (bande de défauts) Multi-puits quantiques, nano grains. Pas de résultats, ni de calcul décisifs aujourd'hui! Photovoltaïque- B.Equer Journées Optique (3-5 Juin 2009) 46

47 Récupérer l'énergie des photons UV 1- Avec des quantum dots - Moins de relaxation (et de recombinaison) - Production d'excitons multiples Photovoltaïque- B.Equer Journées Optique (3-5 Juin 2009) 47

48 Récupérer l'énergie des photons UV 2- avec des électrodes sélectives en énergie

49 Conclusions

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51 Croissance long terme : de 200GW à 2020 et 1200 en

52 ... à 5000GW en 2030??

53 Conclusions Le photovoltaïque : une industrie en croissance rapide, créatrice d'emplois Un marché aidé Au seuil de la compétitivité économique Il faut baisser les coûts, non seulement des modules, mais des systèmes. L'intégration au bâti est une voie à banaliser. L'intégration à grande échelle du PV dans le réseau reste à étudier. Les technologies en couches minces et en silicium massif vont coexister pendant au moins une dizaine d'années, avec une spéciation possible des marchés (centrales bâtiments privés bâtiments commerciaux) La recherche sur les organiques est foisonnante. Il faut démontrer des rendements de 10% et une durée de vie de 20 ans. Le PV dans les pays en développement est bloqué par l'absence d'un stockage efficace.

54 Applications (sur réseau)

55 Compléments

56 L'industrie en France : cristallin Un producteur de cellules et modules : Photowatt (60MW/an en 2007) Plusieurs producteurs de systèmes dont Tenesol EMIX : produit des lingots de Si en coulée continue SILPRO : silicium solaire Photosil Industrie : pilote de production de silicium solaire Alliance PV est au centre d'un grand programme mobilisateur : Solar Nano Crystal, qui réunit tous les acteurs de la filière du silicium cristallin. TOTAL est actionnaire de Photovoltech (Belgique) Couches minces EDF EN : producteur d'électricité et actionnaire des industriels (First Solar, Konarka,...) SOLEMS: Petits systèmes en a-si:h, modules 1m2 avec SOLSIA. Saint-Gobain est actionnaire de Avancis (100MWc en 2010?) Photovoltaïque- B.Equer Journées Optique (3-5 Juin 2009) 56

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