Chapitre I Etat de l’art sur les cellules solaires
1.5. Les différentes technologies de cellules solaires
1.5.3. Cellules solaires de troisième génération
Actuellement, nous en sommes à la troisième génération de cellules solaires. Cette génération répond à un besoin d’ordre économique. Elle a pour objectif principal de réduire le prix du kWh par l’amélioration des rendements ou par la diminution du coût de fabrication. Dans cette optique, différents concepts sont mis en œuvre dont les 4 principaux, décrits ci-dessous, sont les cellules solaires à concentration, les cellules à colorants, les cellules organiques et les nouveaux concepts émergents [49].
1.5.3.1.
Cellules solaires à Concentration
Le solaire photovoltaïque « à concentration » consiste à capter le rayonnement solaire grâce à un pavage d'optiques (lentilles ou miroirs) de faible coût pour le concentrer sur une surface beaucoup plus réduite (de un centième – concentration basse à 1 millième – concentration haute) où l’on place une cellule solaire de petite dimension à hautes performances.
L’empilement des matériaux photoélectriques III-V (As, Ga, In, P, B) constituant les cellules à hautes performances est tel que le spectre du rayonnement solaire converti en énergie électrique est plus étendu que dans les cellules photovoltaïques à silicium (IV). Pour un même flux solaire capté, les rendements énergétiques atteints aujourd’hui (30% à 40% pour l’ensemble lentille et capteur) sont doubles de ceux des panneaux solaires photovoltaïques à insolation directe (autour de 10% et jusqu’à 20%). Le potentiel de ces structures permet d’espérer atteindre à terme un rendement de conversion du flux solaire en énergie électrique supérieur à 40% [50].
Les dispositifs de raccordement multiple commercialisés et fabriqués par Sharp et d'autres entreprises [49] ont des rendements de près de 35% (nettement plus élevés que les cellules solaires en silicium cristallin mono-jonctions). Néanmoins, les systèmes de concentration requièrent des coûts de fabrication élevés et un pointeur solaire pour que les rayons du soleil convergent en permanence vers le capteur. De plus, ils sont incapables à fournir de l’énergie dans des conditions de lumière diffuse.
1.5.3.2.
Cellules à colorants
Les cellules à colorant ou à pigments photosensibles ou DSSC (Dye-sensitized solar cells), découvertes en 1991, sont plus communément appelées cellules de Grätzel du nom de leur inventeur [51]. Leur fonctionnement s’apparente à un système photo-électrochimique inspiré de la photosynthèse végétale. Les cellules à colorant sont constituées d’une couche d’un oxyde métallique semi-conducteur à large gap, le plus souvent l’oxyde de titane (TiO2, Eg ≈ 3.2eV) immergée dans un électrolyte liquide contenant un couple oxydant/réducteur (comme I- /I3-). Les grains de TiO2 sont en contact les uns avec les autres et assurent la conduction des électrons jusqu’à l’électrode. Un colorant organique (le sensibilisateur) recouvre la surface des nano-cristaux de TiO2. Sous illumination, le colorant absorbe les photons incidents, passe à l'état excité
par le couple oxydant/réducteur et la forme oxydée du couple est ensuite réduite à la contre-électrode. La contre-électrode est généralement couverte de platine pour catalyser la réduction de l’électrolyte. Ces cellules sont attrayantes parce qu'elles utilisent des matériaux à faible coût et sont faciles à fabriquer.
Elles peuvent atteindre une efficacité proche de 13 % [52], [53] en laboratoire, [54-57], et 4 à 5% pour le module commercial. Cependant l'utilisation d'un électrolyte liquide pose des problèmes d'étanchéité, de résistance au gel et de toxicité. Les recherches actuelles portent sur le remplacement des sensibilisateurs à base de ruthénium par des composés tout-organiques ainsi que sur le remplacement de l’électrolyte liquide par un matériau solide [58].
Des technologies utilisant deux couches inversées tridimensionnel de
ZnO ont donné des efficacités atteignant 10,3%
[59].1.5.3.3.
Les cellules solaires organiques
Les cellules solaires organiques sont composées soit de matériaux moléculaires soit de polymères semi- conducteurs. Les procédés de fabrication de ces macromolécules sont issus de la pétrochimie. Ils sont donc peu coûteux. De plus, ils sont légers et peu fragiles, ce qui est idéal pour les applications mobiles comme chargeur de batterie pour téléphones mobiles, ordinateurs portables, radios, ... Leur nature flexible constitue aussi un atout majeur pour des applications en bâtiment (intégration des panneaux dans les constructions).
Leur rendement est proche de 10% et culmine à 10,6% [60] Pour les modules commerciaux, il est de l’ordre de 4 à 5%, ce qui reste faible. De plus, ces cellules se dégradent rapidement dans le temps, un effort doit être effectué pour améliorer leur durée de vie.
1.5.3.4.
Cellules solaires novatrices et concepts émergents
Il y a un certain nombre de nouvelles technologies de cellules solaires en développement qui reposent sur l'utilisation de boîtes quantiques (à base de nanocristaux semi-conducteurs), des nanofils, des puits quantiques, ou des pérovskites [61]et [62].
Toutefois, cette génération est encore au stade expérimental et se positionnera sur le marché en tant que solution complémentaire au silicium plutôt qu’en tant qu’alternative. Les rendements sont pour l’instant toujours inférieurs à ceux de la 1ère génération mais la possibilité de produire des dispositifs sur substrat flexible par technologie d’impression (Roll to roll, jet d’encre…) et leur capacité à fonctionner sous éclairement diffus sans utiliser des matériaux toxiques comme la 2ème génération font d’eux des solutions innovantes. La figure I-19 montre les records d’efficacité de cellules photovoltaïques toutes filières confondues recensés par le laboratoire NREL ((National Renewable Energy Laboratory). Il existe aujourd’hui des architectures multi-jonctions dotées de concentrateurs de lumière. Ces cellules sont généralement utilisées dans le domaine spatial.
Figure I-19. Records d’efficacité des différentes technologies photovoltaïques recensés par l’organisme NREL en Juin 2016
Au niveau des cellules à une seule jonction, la filière silicium possède les meilleurs rendements de conversion. Les cellules à base de silicium sont pour l’instant les produits dominants du marché [63], [64]. Cependant, leur développement reste limité par leur coût élevé.
Plusieurs solutions cohabitent pour réduire le coût de la cellule PV :
- Diminuer le coût de la plaquette de silicium (substrat) soit en diminuant la quantité de matériau utilisé en utilisant des substrats fins [65], [66], ou en utilisant de nouvelles techniques de transfert de couches [67] ou encore, en diminuant la pureté du matériau et donc son prix tout en gardant un rendement de conversion élevé [42].
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Augmenter le rendement de conversion des cellules est aussi une piste pertinente [68]. Pour ce faire, de nombreux travaux ont été menés afin de se rapprocher des 29% de rendement de conversion qui est la limite théorique pour la technologie c-Si pour une épaisseur optimale de substrat de 80μm. Cependant, le rendement maximum obtenu jusqu’alors est de 25% sur un dispositif de laboratoire [69], il reste donc un long chemin pour atteindre cette limite.La marge de progression est encore conséquente, aussi nous allons dans le paragraphe suivant détailler quelques axes de recherche prometteurs pour améliorer l'efficacité de la cellule, ainsi que les architectures de cellules associées. Puis nous conclurons ce chapitre par la présentation de la nouvelle architecture de cellule solaire que nous avons proposée dans le cadre du projet ANR GENESE (Gestion de la lumièrE pour la future