Energie solaire Photovoltaïque - ROP

Electricité Solaire Photovoltaïque
Bernard Equer, CNRS
Photovoltaïque- B.Equer
Journées Optique (3-5 Juin 2009)
1
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
Etat des lieux:
les filières industrielles
Photovoltaïque- B.Equer
Journées Optique (3-5 Juin 2009)
3
Conversion Directe (quantique) de la lumière en électricité
un matériau convertisseur de photons en électrons
un dispositif (ou structure) collectant les charges
dans le cas d'un semiconducteur cristallin :

d'où des exigences fortes sur le matériau :
absorbant
Photovoltaïque- B.Equer
haute pureté
Journées Optique (3-5 Juin 2009)
haute cristallinité
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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
Une haute pureté (grand
ce qui impose
rec
> 1µs
) et une excellente cristallinité (grande µ) sont
rec
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/Cu2S 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, λabs, 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-xGax)Se2
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-xGax)Se2
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
Le silicium amorphe hydrogéné
Découvert par hasard à la fin des années 60, le silicium amorphe produit par
PECVD de SiH4 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
(vd ≈1nm/s)
le dopage, les alliages, la gravure se font par simple changement des gaz
en PECVD (SiH4 , GeH4, PH3 , B2 H5 , NF3 , ....)
Prix du désordre : mobilités faibles µ e ≈ 1cm2V-1s-1
- ≈ 8% et matériau métastable : m (t) diminue 9% ⇒ 8-6% (“rendement
stabilisé”)
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
Le cas du silicium en couches minces
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
Les rubans :
des couches semi-minces
g1
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 :
> Eg2 > Eg3
haque 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) :
Record
Labo
Industrie
ex-Shell Solar (Avancis)
CIGS
19,5%
(NREL) Würth Solar
Nanosolar
CdTe
16,5% First Solar
(NREL)
Antec
Meilleur
module
12,90%
9,40%
100 Mwc
13,00%
11,00%
18 Mwc
14,6% (cellule)
13,50% UniSolar (triple jonction)
12,7%
Sanyo
Kaneka (simple jonction)
430 Mwc
10,20%
9,00%
7,30%
6,90%
Applied Materials SunFab
a-Si:H
Capacité de
Module
production
commercial 2010
1000 Mwc
6-10%
7,90%
6,30%
300 Mwc
6,30%
70 Mwc
Prévisions : 20 % en 2010, puis ??
La recherche
Matériaux 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 :
Cellules à Colorants : hybrides organiquesinorganiques
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
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La Recherche :
Vers les hauts rendements
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
(sous
empilements monolithique ou non-monolithique : séparation par filtres et miroirs
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
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Récupérer l'énergie des photons UV
2- avec des électrodes sélectives en énergie
Conclusions
Croissance long terme :
de 200GW à 2020 et 1200 en 2030 ...
.... à 5000GW en 2030??
Conclusions
Le 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
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?)‫‏‬
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