| Source (61) |
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| Schéma 16 - Coupe d’une cellule au silicium amorphe |
Les cellules photovoltaïques en couches minces
Dans cette technologie, le principe est d'appliquer le semi-conducteur sous forme de "spray" sur un support. Le semi-conducteur est ainsi économisé car il n'est pas, comme pour les cellules au silicium cristallin, scié dans la masse. Cette méthode de fabrication devrait permettre dans l'avenir de réduire significativement les coûts de production des cellules PV.
Le silicium amorphe, a-Si
Le silicium amorphe, apparu en 1976, est une forme non cristalline du silicium (4). Sa structure atomique est désordonnée, non cristallisée, mais il possède un coefficient d'absorption supérieur à celui du silicium cristallin. Cependant, ce qu'il gagne en pouvoir d'absorption, il le perd en mobilité des charges électriques (rendement de conversion faible). Le compromis est toutefois viable.
| Source (61) |
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| Schéma 16 - Coupe d’une cellule au silicium amorphe |
La fabrication de cellules PV au silicium amorphe nécessite moins de silicium et moins d'énergie que celle de cellules au silicium cristallin.
| Source (71) |
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| Schéma 17 - Coupe d’une cellule au silicium amorphe |
Avec ce type de matériau peu coûteux par rapport aux autres formes de silicium, on a de faibles rendements (5 à 6 %) et des problèmes de stabilité apparaissent rapidement lorsqu’on l’expose au soleil et aux intempéries (à partir de quelques centaines d’heures).
Cependant, des améliorations ont été effectuées à partir de travaux en laboratoire : on obtient de meilleurs résultats en stabilisant le silicium en empilant des couches insérées entre deux feuilles de verre. La durée de vie est ainsi accrue et le rendement augmenté dans certain cas jusqu’à 11 %.
| Source (71) |
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| Schéma 18 - Fabrication d’un module au silicium amorphe |
| Source (71) |
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| Schéma 19 - Fabrication de modules souples au silicium amorphe |
Le procédé de fabrication des cellules photovoltaïques au silicium amorphe comporte plusieurs étapes distinctes (45):
La préparation du support
Le support peut prendre la forme d'un substrat rigide (en général du verre) ou semi-rigide (silicium métallurgique en ruban, quartz ou céramique par exemple). Il est découpé à la dimension désirée (qui définira également ses caractéristiques électriques : puissance, tension de sortie...) (71).
La dépose de l’électrode :
On dépose sur le substrat une pellicule transparente à base d’oxyde d’étain qui servira d’électrode transparente dans un four à passage.
La découpe de l’électrode.
L’électrode est découpée par laser (patterning).
La dépose du film de silicium amorphe
Dans cette technologie, le silicium est produit directement sur le support à partir du gaz silane SiH4 (qui apporte la matière). En fait, les plaques de verre sont placées dans une enceinte chauffée où l’on fait le vide, puis du silane est injecté et décomposé par une décharge radiofréquence ; le silicium libéré se dépose alors sur les plaques. La présence d’hydrogène est également nécessaire pour la qualité du matériau (il limite le nombre de défauts en saturant les liaisons pendantes de silicium présentes à cause de la structure désordonnée). L’adjonction des dopants est réalisée par ajout de gaz phosphine PH3 ou borane B2H6 au silane (5).
La découpe du film de silicium amorphe
La pellicule de silicium amorphe est découpée au laser (patterning)
La dépose de l’électrode par évaporation
L’électrode (généralement de l’aluminium) est déposée par évaporation. Deux rubans en aluminium étamé sont soudés par ultrason de part et d’autre de la surface active pour obtenir les sorties.
L’encapsulation et le moulage du cadre
Les modules PV silicium amorphes sont protégés sur leur face arrière par un film vinyle, par adhésion sur un support plastique ou par une deuxième plaque de verre. Les modules sont contrôlés avant d’être mis sur le marché.
Les autres couches minces
Les nouvelles couches minces, encore " confidentielles ", semblent représenter une alternative à la technologie cristalline.
Le tellurure de cadmium (CdTe), l’arséniure de gallium (GaAs) ainsi que le diséléniure de cuivre et d’indium (CIS) donnent de grands espoirs aux chercheurs. Toutes ces filières ont permis d’obtenir des photopiles ayant des rendements supérieurs à 16 % en laboratoire.
Le mode de fabrication, similaire à celui des cellules amorphes, est décrit dans le schéma suivant (71):
| Source (71) |
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| Schéma 20 - Fabrication de cellules couches minces TeGa |
Le tellurure de cadmium et l’arséniure de gallium
Il s’agit de matériaux permettant de fabriquer des photopiles à haut rendement. En effet, Boeing par exemple annonçait dès 1989 des rendements de 37 % pour des photopiles à l’arséniure de gallium (GaAs) empilées en cascade. Même si les épaisseurs des couches de semi-conducteur sont très faibles (0,2 à 2 mm), les coûts des matériaux et la sophistication des procédés de réalisation sont très élevés. La toxicité des composants de ces cellules interdit actuellement, une production de masse.
Le diséléniure de cuivre et d’indium (CIS)
Il s’agit d’un semi-conducteur assez particulier. Le CIS est composé d’atomes de sélénium, gros et immobiles, d’indium, plus petits, et surtout de cuivre, mobiles. Ils forment un réseau cristallin irrégulier et instable : des atomes étrangers de fer, d’or ou de sodium se rencontrent couramment et les atomes composant le CIS n’ont pas tous des places bien définies au sein de la structure. En fait, si des défauts apparaissent régulièrement dans la structure cristalline du semi-conducteur, ils sont tous aussi régulièrement réparés. L’acteur principal de cette " guérison " est le cuivre qui " se déplace " au hasard dans le solide. Lorsqu’il rencontre un endroit endommagé, il s’associe aux atomes déplacés (61) ou manquants de manière à restaurer la fonctionnalité du matériau. Ce mécanisme est provoqué par la tendance du cristal à rester proche de l’équilibre chimique.
Ainsi, il n’y a quasiment pas de dégradation au cours du temps : les photopiles réalisées avec une couche de CIS par Siemens-Solar sont quasi intactes après huit ans de fonctionnement en extérieur.