Photovoltaïque- B.Equer Journées Optique (3-5 Juin 2009) 1

Electricité Solaire Photovoltaïque

Bernard Equer, CNRS

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

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Etat des lieux:les filières industrielles

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un matériau convertisseur de photons en électrons

un dispositif (ou structure) collectant les chargesdans le cas d'un semiconducteur cristallin :

Conversion Directe (quantique) de la lumière en électricité

d'où des exigences fortes sur le matériau :

absorbant haute pureté haute cristallinité

Cellule silicium

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)‏

Production mondiale (d'après EPIA)

Parc Mondial (d'après EPIA)

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 ‏

2008

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.

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.

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 ce qui impose rec

> 1µs

Une haute pureté (grand rec

) et une excellente cristallinité (grande µ) sont

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)‏

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/Cu

2S 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.

La filière du Tellurure de Cadmium

bonnes caractéristiques (Eg, λ

abs, 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)

Cu(In1-x

Gax)Se

2

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

Cu(In1-x

Gax)Se

2

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

Découvert par hasard à la fin des années 60, le silicium amorphe produit par PECVD de SiH

4 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 (v

d ≈1nm/s)

le dopage, les alliages, la gravure se font par simple changement des gaz en PECVD (SiH

4 , GeH

4, PH

3 , B

2 H

5 , NF

3 , ....)

Prix du désordre : mobilités faibles µ e ≈ 1cm2V-1s-1

- ≈ 8% et matériau métastable : m (t) diminue 9% ⇒ 8-6% (“rendement stabilisé”)

Le silicium amorphe hydrogéné

Les cellules multijonctions (a-Si:H)‏

Le dépôt « roll to roll » (a-Si:H)‏

UniSolar

Sanyo

Dépôt sur ruban inox ou plastique

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

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

SunFab (Applied Materials)

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

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

Le cas du silicium en couches minces

Les rubans : des couches semi-minces

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 :

g1 > E

g2 > E

g3

(chaque cellule convertit une bande spectrale et transmet le reste)‏

Empilement mécanique ou monolithique

Un démarrage tardif?

Les trois filières ont connu une industrialisation lente jusque vers 2005.

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.

Modules en couches minces, quelques produits industriels (parmi 60 industries) :

Industrie

CIGS

ex-Shell Solar (Avancis) 12,90% 9,40% 100 Mwc

Würth Solar 13,00% 11,00% 18 Mwc

Nanosolar 14,6% (cellule) 430 Mwc

CdTeFirst Solar 10,20% 9,00% 1000 Mwc

Antec 7,30% 6,90%

a-Si:H

Applied Materials SunFab 6-10%

13,50% UniSolar (triple jonction) 7,90% 6,30% 300 Mwc

Kaneka (simple jonction) 6,30% 70 Mwc

Record Labo

Meilleur module

Module commercial

Capacité de production 2010

19,5% (NREL)

16,5% (NREL)

12,7% Sanyo

Prévisions : 20 % en 2010, puis ??

La rechercheMatériaux organiques (bas coûts)

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

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

Un des meilleurs couples donneur-accepteur :

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Cellules à Colorants : hybrides organiques-inorganiques

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.

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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

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Réseaux interpénétrès réel et idéal

collecte par percolation

modèle idéalisé : des colonnes (fils) avec un contact redresseur et un contact ohmique

La Recherche :

Vers les hauts rendements

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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

empilements monolithique ou non-monolithique : séparation par filtres et miroirs (sous 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

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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

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PARC

Neffiz (Israël)

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Pertes dans un convertisseur PV p-n ou p-i-n

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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.

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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!

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Récupérer l'énergie des photons UV

• 1- Avec des quantum dots

- Moins de relaxation (et de recombinaison)

- Production d'excitons multiples

Récupérer l'énergie des photons UV2- avec des électrodes sélectives en énergie

Conclusions

Croissance long terme :

de 200GW à 2020 et 1200 en 2030 ...

.... à 5000GW en 2030??

ConclusionsLe 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.

Applications (sur réseau)

Compléments

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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?)‏