Daniel MATHIOT

Institut d’Électronique du Solide et des Systèmes

(Université de Strasbourg et CNRS)

Énergies de l'Avenir : Recherche et Industrie

Colloque ANR, Belfort

Photovoltaïque :

du matériau à la cellule

6 octobre 2011 – D.M. 1/12

Contexte (1)

6 octobre 2011 – D.M. Colloque ANR "Energies de l'Avenir : Recherche et Industrie" 2/12

Multi c-Si

2009

Aujourd’hui Demain

en 2010: ~15.500 MW produits

Industrie PV: ~ 10 Milliards Euros; ~ 60.000 emplois

Modules à base de Silicium cristallin à ~83%

en 2015: capacité ~70 GW Si cristallin mince + films ultraminces

(Si, CIGS, CdTe, Organique)

L’électricité Photovoltaïque

Contexte (2)

6 octobre 2011 – D.M. Colloque ANR "Energies de l'Avenir : Recherche et Industrie" 3/12

Lingot

28% 30%

18% 10%

14%

Problème de la filière

conventionnel Si:

Coût des plaquettes

Silicium cristallin

(e >150µm, 156*156 mm2)

(52 % du coût total)

Alternatives:

* Ruban de Si par croissance directe dans un liquide

(plaquette ultramince < 80 µm; ruban 10-30 µm) filière unique

ANR-Rubansolaire; ANR-CASIMIR

* Réalisation de plaquettes fines (250 – 300 µm) par moulage

ANR-MOSAIQUE

* Films Silicium ultramince (<5µm) sur substrats verre, métal)

ANR-POLYSIVERRE ; FP7-HIGHEF; ANR-SILASOL

Cellules solaires à base de ruban de Si

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Modules PV

SigmaYY (MPa)

Contrainte compression

max X

Y

0 100 200 300 400 500 600

0

10

20

30

40

Sun-Voc Method

Voc= 575 mV

Jsc = 35.4 mA/cm²

FF = 77.8

Eff = 15.8

Area= 1.5 cm²

I-V Method

Voc= 573 mV

Jsc = 35.4 mA/cm²

FF = 70.1

Eff = 14.2

Area= 1.5 cm²

J(m

A/c

m²)

V(mV)

Production de rubans

Cellules PV Modélisations ANR-Rubansolaire (p-Si)

ANR-CASIMIR (n-Si)

Cellules solaires à base de Si ultra mince

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Couche active

par Epitaxie Phase vapeur

(InESS, INSA)

0.1

0.2 µm

ANR-POLYSIVERRE ANR-SILASOL

Verre céramique

(CORNING)

Feuille métallique

(ARCELOR-MITAL)

Cristallisation a-Si

induite par métaux

(InESS)

Cellules solaires

(InESS, LPICM)

TOTAL

Cristallisation a-Si

induite par laser

(InESS, ExcicoI

1.5 - 4 µm

Couche active par

Epitaxie Phase solide

(InESS, IREPA)

Cellules solaires

(InESS, INES)

SOPREMA

Cellules à base de Si ultra mince : Acquis

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Brevet par CORNING pour développement de

substrats adéquats compatible avec la

technologie poly-Si

Maitrise des procédés (labos) d’élaboration de

films poly-Si (p ou n) très minces (5µm)

Transferts de procédé vers Industrie (EXCICO,

CRITT-IREPA)

Compréhension (labos) des facteurs limitant les

performances cellules dans matériaux à moyens

grains

Conception par AET de réacteurs prototypes de

dépôt des films Si à grande vitesse / larges

surfaces sur substrats divers

Evaluation économique de la filière par TOTAL

et ARCELOR-MITAL

Plaquettes fines par moulage

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ANR-MOSAIQUE Représentation schématique

du procédé

Remplissage

du moule Solidification

dirigée

Matériau du moule : Carbone Lorraine

Composants, CEA-LITEN

Revêtement : CEA-LITEN, CLC

Cristallisation en plaquette : SIMaP, CEA-

LITEN

Qualification des plaques et optimisation par

traitement thermique : InESS, CEA-LITEN

Caractérisation des contaminations

Simulation

Moulage à l’échelle du procédé : ECM

Technologies

Matériaux inorganiques et nanostructures pour le

photovolvoltaïque

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• Cellules en Silicium massif mince

o Emetteurs et BSF avancés

o Passivation des surfaces

• Cellules en silicium couches minces

o Nouveaux procédés d’élaboration des couches Si cristallin sur

substrats souples

o Management optique dans le Si ultramince

• Nouveaux concepts pour le photovoltaïque

o Conversion photonique par luminescence

o Structures Tandem en silicium

o Structures à effet plasmonique

Photovoltaïque organique

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Intérêt

Technologies bas coûts

Grandes surfaces

Substrats souples

Enjeux

Rendements (encore) trop faible

Stabilité

Contexte scientifique

Projets pluridisciplinaires

Travail effectué en réseau (www.mateohpv.fr)

Cellules O-PV à longue durée de vie et à absorption

élargie dans l'IR pour fenêtres solaires

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Partenaires :

Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques (Bordeaux),

coordinateur

Laboratoire de Chimie de Coordination (Toulouse)

Institut de Chimie des Surfaces et Interfaces (Mulhouse)

CEA-LITEN, (Chambéry)

Arkema France

Hutchinson

Rôle InESS :

Etudes morphologiques de la couche active (AFM).

Transport de charge

Elaboration et caractérisation de composants OPV.

ANR-SPIRWIND

0.2 µm

10°

0°

e

Auto-organisation et optimisation de la génération de

charges dans des co-polymères à blocs donneur-accepteur

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Partenaires :

Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg ,

coordinateur

Institut Charles Sadron, Strasbourg

Laboratoire d’Ingénierie des polymères pour les Hautes

technologies, Strasbourg

Rôle InESS :

Etude de la génération et du transport de charge

Elaboration et caractérisation de composants OPV.

ANR-PICASSO

Conclusion

Les recherches actuelles devraient permettre d'accroître la

compétitivité de l'électricité d'origine photovoltaïque par une

amélioration du compromis coût / rendement

Filière Silicium

Diminution du coût à rendement équivalent (court terme)

• Économie de matière (films minces, etc...)

• Utilisation de silicium "métallurgique"

Augmentation du rendement à coût (environ) équivalent (long terme)

• "3ème génération"

Filière organique

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