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Panneaux photovoltaïques énergie solaire

Cellule solaire à couche mince

Cellule solaire à couche mince

Une cellule solaire à film mince est une seconde génération de cellules solaires qui consiste à déposer une ou plusieurs couches minces, ou un film mince (TF) de matériau photovoltaïque sur un substrat, tel que le verre, le plastique ou le métal.

L'épaisseur du film varie de quelques nanomètres (nm) à plusieurs dizaines de micromètres (µm). Le film est beaucoup plus mince que la technologie concurrente du film mince, la cellule solaire au silicium cristallin de première génération (c-Si) classique, qui utilise des tranches d'une épaisseur allant jusqu'à 200 µm. Cela permet aux cellules à film mince d'être flexibles et de moins de poids. Il est utilisé dans la construction de systèmes photovoltaïques intégrés et en tant que matériau de vitrage photovoltaïque semi-transparent pouvant être laminé dans des fenêtres. D'autres applications commerciales utilisent des panneaux solaires à couche mince rigides (intercalés entre deux panneaux de verre) dans certaines des plus grandes installations photovoltaïques du monde.

La technologie des couches minces a toujours été moins chère mais moins efficace que la technologie conventionnelle du c-Si. Cependant, il s'est considérablement amélioré au fil des ans. L'efficacité de la cellule de laboratoire pour le CdTe et le CIGS dépasse maintenant 21%, surpassant le silicium multicristallin, le matériau dominant actuellement utilisé dans la plupart des systèmes solaires photovoltaïques. Les tests de durée de vie accélérée des modules à couches minces dans des conditions de laboratoire ont montré une dégradation un peu plus rapide que celle du PV conventionnel, tandis qu'une durée de vie utile de 20 ans ou plus est généralement attendue. Malgré ces améliorations,

D'autres technologies en couches minces qui sont encore au stade initial de recherche en cours ou dont la disponibilité commerciale est limitée sont souvent classées comme cellules photovoltaïques émergentes ou de troisième génération et incluent les substances organiques et sensibilisées par un colorant, ainsi que les points quantiques, le sulfure de cuivre zinc, nanocristaux, micromorphes et cellules solaires à pérovskite.

Types de cellules photovoltaïques à couche mince

Beaucoup de matériaux photovoltaïques sont fabriqués avec différentes méthodes de dépôt sur une variété de substrats. Les cellules solaires en couches minces sont généralement classées en fonction du matériau photovoltaïque utilisé. Selon ces critères, les types suivants de cellules photovoltaïques à couche mince.

  • Silicium amorphe (a-Se) et autres silicones à couche mince (TF-Se)
  • Tellure de cadmium (CdTe)
  • Cuivre indien de gallium et de semenium (CIS ou CIGS)
  • Cellules solaires sensibles aux couleurs (DSC) et autres cellules solaires organiques.

Tellure de cadmium

L'utilisation du tellurure de cadmium dans la production de couches minces est la technologie la plus avancée en matière de couches minces. Environ la moitié de la production mondiale de panneaux photovoltaïques et plus de la moitié du marché des couches minces sont aux mains de cette technologie. L'efficacité du téléphone cellulaire in vitro a considérablement augmenté ces dernières années et correspond au CIGS à couche mince et proche de l'efficacité du silicium multicristallin. Le tellurure de cadmium a également le temps de récupération d'énergie le plus court de toutes les technologies de production en série et, dans certaines situations, il peut ne durer que huit mois.

Bien qu'il soit possible de résoudre complètement les problèmes environnementaux liés à la toxicité du cadmium en recyclant le cadmium à la fin de sa période, des doutes subsistent quant à la technologie et l'opinion publique reste sceptique. L'utilisation de matériaux rares peut également être un problème pour la viabilité économique de la technologie des couches minces de cadmium.

Cuivre indien de gallium et de semenium

Les composés possibles des éléments des groupes XI, XIII, XVI du tableau photovoltaïque périodique sont les suivants: cuivre, argent, or, aluminium, gallium, indium, silicium, sélénium, tellure. Une cellule photovoltaïque de sélénium, gallium ou CIGS utilise un adsorbant de sélénium, gallium, indium et cuivre, les autres types de gallium libre sont abrégés en CIS.

Cette technologie est l'un des trois principaux courants de la technologie des couches minces, les deux autres étant le tellurure de silicium-cadmium amorphe, dont l'efficacité en laboratoire est de 5% et la part de marché de 5%.

Silicium amorphe

Le silicium amorphe est une forme multiple de silicium non cristallin et a été la technologie de film mince la plus avancée à ce jour. Alors que les cellules photovoltaïques CIS et CdTe ont fonctionné avec succès in vitro, l'industrie se concentre toujours sur les cellules à base de silicium en couche mince.

Les produits à base de silicium posent moins de problèmes que les produits CIS et CdTe, par exemple, les problèmes de toxicité et d'humidité des cellules CdTe et la faible production de produits CIS ne se posent pas en raison de la complexité des matériaux associés aux produits. de silicium. En outre, rien ne s'oppose à l'utilisation de silicium standard du fait de la résistance politique à l'utilisation de matériaux non écologiques dans la production d'énergie solaire. Les modules de silicium sont divisés en trois catégories:

  • Cellules photovoltaïques au silicium amorphe
  • Cellules photovoltaïques tandem multicristallines
  • Mince couche de silicium multicristallin sur le verre

Efficacité de la cellule photovoltaïque à couche mince

L'amélioration progressive de l'efficacité a commencé avec l'invention de la première cellule solaire moderne au silicium en 1954. En 2010, grâce à ces améliorations constantes, des modules capables de convertir de 12 à 18% du rayonnement solaire en électricité. Les améliorations de l'efficacité ont continué à s'accélérer au cours des années depuis 2010, comme le montre le tableau ci-joint.

Les cellules constituées de matériaux plus récents ont tendance à être moins efficaces que le silicium en vrac, mais leur production est moins coûteuse. Son efficacité quantique est également moindre en raison du nombre réduit de porteurs de charge collectés par photon incident.

Les performances et le potentiel des matériaux en couche mince sont élevés, atteignant des rendements cellulaires de 12 à 20%; des prototypes d'efficacité de module de 7 à 13%; et des modules de production dans la gamme des 9%. Le prototype de cellule à couche mince offrant le meilleur rendement produit 20,4% (First Solar), ce qui est comparable au meilleur rendement de prototype de cellule solaire classique de 25,6% de Panasonic.

La frontière solaire a atteint un nouveau rendement record des cellules solaires à couche mince de 22,3%, le plus grand fournisseur d'énergie solaire cis au monde. Dans le cadre d'une enquête menée en collaboration avec la NEDO (Organisation pour le développement de nouvelles technologies et de technologies industrielles) au Japon, Solar Frontier a atteint un rendement de conversion de 22,3% dans une cellule de 0,5 cm 2 utilisant sa technologie CIS. Cela représente une augmentation de 0,6 point de pourcentage par rapport au précédent record de 21,7% du film mince de l'industrie.

Énergie photovoltaïque émergente

Cellule solaire expérimentale à base de silicium développée aux laboratoires nationaux Sandia

Le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) classe une série de technologies à couches minces parmi les technologies photovoltaïques émergentes; la plupart d'entre elles n'ont pas encore été appliquées commercialement et sont encore en phase de recherche ou de développement. Beaucoup utilisent des matières organiques, souvent des composés organométalliques, ainsi que des substances inorganiques. Bien que leur efficacité ait été faible et que la stabilité du matériau absorbant soit souvent trop courte pour des applications commerciales, de nombreuses recherches sont investies dans ces technologies, car elles promettent d'atteindre l'objectif de produire un faible coût et une efficacité élevée. cellules solaires

L' énergie photovoltaïque émergente, souvent appelée cellules photovoltaïques de troisième génération, comprend:

  • Cellule solaire au sulfure de zinc, étain de cuivre (CZTS) et dérivés de CZTSe et CZTSSe
  • Cellule solaire à colorant, également appelée "cellule de Grätzel"
  • Cellule solaire organique
  • Cellule solaire pérovskite
  • Cellule solaire à points quantiques

Les résultats de la recherche sur les cellules pérovskites ont particulièrement attiré l'attention du public, leur efficacité de la recherche ayant récemment dépassé les 20%. Ils offrent également un large éventail d'applications à faible coût. En outre, une autre technologie émergente, le concentrateur photovoltaïque (CPV), utilise des cellules solaires à jonction multiple et à haute efficacité, associées à des lentilles optiques et à un système de suivi.

Absorption du rayonnement solaire par la cellule solaire à couche mince

Plusieurs techniques ont été utilisées pour augmenter la quantité de lumière entrant dans la cellule et réduire la quantité qui s'échappe sans absorption. La technique la plus évidente consiste à minimiser la couverture de contact supérieure de la surface de la cellule, en réduisant la zone qui empêche la lumière d'atteindre la cellule.

La lumière de faible longueur d'onde faiblement absorbée peut être couplée de manière oblique au silicium et traverse le film plusieurs fois pour améliorer l'absorption.

Plusieurs méthodes ont été développées pour augmenter l'absorption en réduisant la quantité de photons incidents réfléchis par la surface de la cellule. Un revêtement antireflet supplémentaire peut provoquer une interférence destructive dans la cellule en modulant l'indice de réfraction du revêtement de surface. L'interférence destructive élimine l'onde réfléchissante, provoquant l'entrée de toute la lumière incidente dans la cellule.

La texturation de surface est une autre option pour augmenter l'absorption, mais elle augmente les coûts. En appliquant une texture sur la surface du matériau actif, la lumière réfléchie peut être réfractée pour frapper à nouveau la surface, réduisant ainsi le facteur de réflexion. Par exemple, la texture du silicium noir par gravure ionique réactive (RIE) est une approche efficace et économique pour augmenter l'absorption des cellules solaires au silicium en couches minces. Un réflecteur arrière texturé peut empêcher la lumière de s'échapper de l'arrière de la cellule.

En plus de la texture de surface, le schéma de capture de lumière plasmonique a beaucoup attiré l'attention pour aider à améliorer le photocourant dans les cellules solaires à couche mince. Cette méthode utilise l'oscillation collective d'électrons libres excités dans des nanoparticules de métaux nobles, influencées par la forme des particules, la taille et les propriétés diélectriques du milieu environnant.

En plus de minimiser la perte de réflexion, le matériau de la cellule solaire lui-même peut être optimisé pour avoir une plus grande chance d'absorber un photon qui l'atteint. Les techniques de traitement thermique peuvent améliorer de manière significative la qualité cristalline des cellules en silicium et, par conséquent, augmenter leur efficacité. La couche de cellules en film mince permettant de créer une cellule solaire à jonctions multiples peut également être réalisée. L'intervalle de bande de chaque couche peut être conçu pour mieux absorber une gamme différente de longueurs d'onde, de sorte qu'elles puissent absorber ensemble un plus grand spectre de lumière.

De nouveaux progrès dans les considérations géométriques peuvent exploiter la dimensionnalité du nanomatériau. Les grandes matrices de nanofils parallèles permettent de grandes longueurs d'absorption sur la longueur du câble tout en maintenant de courtes longueurs de diffusion de porteurs mineurs dans la direction radiale. L'ajout de nanoparticules entre les nanofils permet la conduction. La géométrie naturelle de ces matrices forme une surface texturée qui capte plus de lumière.

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Dernier examen: 26 septembre 2019