cellules solaires (3/3)

Une autre catégorie de matériaux peuvent conduire à des photopiles intéressantes, ce sont, d'une part, les alliages à base de GaAs et, d'autre part, les matériaux à base de Cd. Ils se prêtent bien à la réalisation à bon marché de structures souples.

Cu2S/CdS [5] [6]

Le prototype de ces cellules est le module SAT (France) obtenu sur un support plastique par évaporation successive de Ag, Zn puis CdS. La grande épaisseur de CdS est nécessaire pour la stabilité de la cellule. La jonction est obtenue par trempage dans une solution aqueuse saturée de chlorure de cuivre (à 90°C et pH 4). Il y a échange entre les ions Cu et Cd et on enlève la cellule quand il y a 0.3µm de Cu2S en surface.

Le rendement de telles cellules atteint 8% et leur prix de revient serait intéressant si l'on pouvait réduire l'épaisseur de la couche de CdS. Des travaux ont d'ailleurs été menés pour, d'une part, remplacer partiellement le CdS par du ZnS (environ 15%) ce qui améliore la stabilité et la tension en circuit ouvert tout en déplaçant le seuil photoélectrique grâce à une largeur de bande interdite supérieure, et, d'autre part, modifier le procédé de dépôt du ZnCdS pour le rendre plus économique (procédé spray).

AsGa [10]

L'association d'AsGa sur support d'Al peut se révéler supérieure aux solutions tout silicium. En effet le gap relativement important de 1.43eV permet l'emploi à des températures notablement supérieures à l'ambiante, ce qui n'est pas le cas du silicium. Le seuil de 20% de rendement a pu être franchi dès 1975 chez Varian (Palo Alto, Ca.) en concentrant le rayonnement solaire à l'aide d'un miroir. R.L. Bell [11] estimait alors qu'il serait possible de concentrer plus de 1000 fois le rayonnement solaire et de réduire alors à 8m2 la surface de GaAs pour une centrale de 1MW. La principale limitation des performances tient à la grande vitesse de recombinaison des porteurs en surface.

fig : influence de la température sur le rendement de conversion pour une cellule AsGa (de type b ci-dessous) en fonction du taux de concentration solaire :
on constate que même avec K=1000 soleils et une température de 600K on obtient encore des résultats intéressants.

Trois techniques sont développées pour tenter de réduire ce phénomène et ainsi d'augmenter encore le rendement.[14]

une mince couche ternaire de GaAlAs, à forte teneur en Al, est épitaxiée sur une homojonction GaAs. Ainsi les photons d'énergie inférieure à la bande interdite du ternaire sont absorbés uniquement dans la couche GaAs.

on peut réaliser une homojonction dont la couche avant est de quelques dizaines de nanomètres seulement, ce qui entraine la génération des porteurs dans la zone désertée et leur collecte presque intégrale.

on peut réaliser un gradient de dopage (ou de bande interdite) qui produit un champ électrique interne entrainant les porteurs minoritaires vers la jonction et réduisant de ce fait les recombinaisons en surface. Toutes conditions étant égales par ailleurs on peut montrer que le rendement calculé de cette dernière cellule est sensiblement amélioré (23.2% au lieu de 14.7% pour l'homojonction).

CdTe et autres structures à BIV [9]

Les structures à bandes interdite variable (BIV) ont été initialement développées par les chercheurs du laboratoire CNRS de Meudon-Bellevue. Le problème pratique posé par la conversion du rayonnement solaire est le suivant : tous les photons solaires n'ont pas la même énergie, il en résulte une pénétration plus ou moins grande dans la structure et, par suite, une efficacité non optimalisée puisque la longueur de diffusion des porteurs est sensiblement la même pour tous. Par contre dans une structure BIV le gradient de concentration dans l'épaisseur de l'un des constituants se traduit par un gradient de largeur de bande interdite, d'où il résulte un gradient de masse effective des porteurs et une longeur de diffusion variant (jusqu'à 90µm au lieu de 3.3µm) de telle sorte que l'efficacité de collection des porteurs soit sensiblement accrue avec une réponse spectrale plus étendue (passant de 1 à plus de 5µm).

Technologiquement les jonctions à BIV sont réalisées par dépôt épitaxial de HgTe sur un monocristal de CdTe suivi d'une interdiffusion thermique entre le substrat et la couche déposée.

conclusion

Les possibilités sont multiples et pendant les années 80 de nombreux travaux semblaient prometteurs, avec des estimations économiques elles-mêmes prometteuses ainsi qu'en témoigne le graphique ci-dessous. Et puis dans les années 90 avec le coût bas du pétrole les incitations à développer la recherche sur l'énergie solaire ont quasi-disparues, les chercheurs pionniers du domaine ont pris leur retraite et très peu de progrès ont été accomplis. Doit-on espérer une prochaine crise internationale au moyen orient pour relancer le développement des photopiles dans des domaines autres que celui des calculettes ou des capteurs pour appareils photos?

Sur cette dernière figure, datant de 1985 [13], on a fait figurer l'évolution du coût des cellules silicium en mettant en valeur les divers éléments du coût d'un panneau. On notera que l'effondrement des coûts correspond effectivement au dévelopement des technologies couches minces amorphes, mais qu'après 1986 on peut prolonger la courbe par une simple horizontale (même très légèrement croissante!).

[1] Lord Nathan, Energy and the environment, Royal Soc of Arts, London, 1974

[2] GA Boutry, Physique appliquée aux industries du vide et de l'électronique, Masson,Paris,1972

[3] M. Rodot & al., Rev. Phys. Appl.,12 (1977) pp 1223-

[4] P. Siffert, Rev Phys Appl, 14 (1979) pp 169-

[5] S. martinuzzi & al., Rev Phys Appl, 14 (1979) pp 237-

[6] A. Gautier & al., Proc Int Conf on Photovoltaic Power Generation, Hamburg, 1974, pp 193-

[7] H.E. Bates, 9th Photovoltaic Spec Conf., IEEE, 1972, pp 386-

[8] Proceedings of the 7th Int Conf. on Amorphous and Liquid Semiconductors, Edinburgh, 1977

[9] Photovoltaic Solar Energy Conf, Luxembourg, (CEE), 1977

[10] L.W. James & al., Appl Phys Lett, 26 (1975) pp 467-

[11] Bell & al., Proc 11th IEEE Photovoltaic Spec. Conf, Phoenix, 1975

[12] Bulletins RTC actualités, 1974 à 1987

[13] Regards sur l'actualité, la Documentation Française, 1977 à 1994

[14] J.E. Bouree & al., Rev Phys Appl, 15 (1980), pp 245-255

[15] A. Deneuville & al., Rev Phys Appl, 15 (1980), pp 233-240

[16] D.E. Carlson & al., J Electrochem Soc, 126 (1979), pp 688-691

[17] P.A. Thomas, Rev Phys Appl, 15 (1980), pp 241-244

[18] M. Rodot et P. Vasseur, Cahiers de l'AFEDES N°2, les effets photovoltaïques, leurs applications en milieu spatial et au sol.

[19] http://www.asblbasilic.be/ : le portail des énergies renouvelables, un must à ne pas manquer.

[20] http://www.ise.fraunhofer.de/ : une source d'info intéressante le Fraunhofer Institut fûr Solare Energiesysteme

	Copyright © 2000-2011 LHERBAUDIERE	4 pages à l'impression			version initiale 2002
	AVERTISSEMENT				dernière mise à jour 05 décembre 2010

cellules à base de Cu2S/CdS	une grande surface plastique
AsGa	un rendement élevé
CdTe et BIV	réponse spectrale étendue
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