Les cellules photovoltaïques en silicium : théorie et fabrication

Nicolas Richet

Description

L’énergie photovoltaïque est aujourd’hui en plein essor. La part issue des panneaux solaires dans la production d’électricité est de plus en plus importante et connaître le fonctionnement physique et les moyens de production d’une cellule solaire en silicium devient inévitable dans ce domaine.
Ce livre présente le mécanisme électronique régissant l’absorption d’un rayon lumineux par le silicium et la  propagation du courant créé, en introduisant entièrement la théorie de la jonction p-n. L’auteur décrit dans une deuxième partie les transformations successives d’une plaquette en silicium en cellule solaire. Enfin, dans une troisième partie, les améliorations pour augmenter le rendement des cellules sont exposées et permettent de mieux comprendre comment la filière photovoltaïque se transforme.
Destiné à des étudiants, ingénieurs et chercheurs, ce livre permet d’avoir une vue très complète sur les cellules solaires en silicium.

Cet ouvrage a fait l'objet d'un erratum. Le nouvel index est consultable sur cette page (colonne de droite).

 

Sujets

• Techniques
• Energie et Environnement
• Energie & environnement
• Energies
• Sciences et techniques
• NRJ (Canada)
• Énergie
• Sciences appliquées

Informations

• Publié par: EDP Sciences
• Date de parution: 25 août 2016
• Nombre de lectures: 2
• EAN13: 9782759820061
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 26 Mo

Extrait

QuinteSciences

Les cellules photovoltaïques en silicium : théorie et fabrication

Nicolas Richet

Les cellules photovoltaïques en silicium : thÈorie et fabrication

Nicolas Richet

Imprimé en France ISBN : 9782759818233

Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective », et d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toute représentation intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur er ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (alinéa 1 de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal.

© EDP Sciences 2016

Remerciements

L’auteur remercie vivement le professeur C. Ballif (université de Neuchâtel, Suisse) d’avoir bien voulu préfacer son ouvrage. Il sait gré à J. Werner et J. Geissbühler (université de Neuchâtel, Suisse) pour leur relecture attentive de son texte. Pour l’intérêt qu’ils ont porté à son ouvrage par les documents qu’ils lui ont aima blement transmis, il est reconnaissant envers V. Afanas’ev (université de Louvain, Belgique), R. Artigas (universitat polytècnica de Catalunya, Espagne), A. Bentzen (société REC Solar, Norvège), A. Blakers (Australian National University), A. Blum (Universität des Saarlandes, Allemagne), F. Boucard (université Louis Pasteur), D.Z. Dimitrov (Industrial Technology Research Institute, Taïwan), A. Goodrich (The National Renewable Energy Laboratory, ÉtatsUnis), M. Hofmann (Universität Konstanz, Allemagne), R. Khandelwal (société ASML, Allemagne), K. Mc Intosh (société PV Lighthouse, Australie), Byungsul Min (Institut für Solarenergiefor schung Hameln, Allemagne), M. Moreno (Instituto nacional de astrofísica, óptica y edectrónica, Mexique), H.G.G. Philipsen (Universiteit Utrecht, PaysBas), U. Plachetka (AMO GmbH, Allemagne), S. Olibet et S. de Wolf (université de Neuchâtel, Suisse), B. Hoex, M. Green et A. Lennon (University of new South Wales, Australie), R. Finger (NREL, ÉtatsUnis), A. Sow (société Silicontile), B. Thaidigsmann, F. Clement, S. Glunz et D. Biro (Fraunhofer Institut ISE, Allemagne), S. Tohoda (société Panasonic, Japon), Z.R. Abrams, Xiang Zhang et K.L. Wang (University of California, ÉtatsUnis) et I. Zubel (Politechnika Wrocławska, Pologne).

iii

Table

des

matières

Remerciements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Préface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Introduction

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Partie I  Présentation et fonctionnement des cellules solaires standard en silicium massif. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .

Chapitre 1  Principe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .

Chapitre 2  Représentation de l’énergie dans un semiconducteur. . . . . . . 2.1 Bandes d’énergie et bande interdite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Schéma de bandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Chapitre 3  Absorption de photons par le silicium. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iii

ix

1

5

7

13 13 15

19

v

37 42

 Étude d’une cellule solaire et des étapes de sa fabrication. . . .

 Concentrations d’électrons et de trous. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Les cellules photovoltaïques en silicium : théorie et fabrication

29

v i

Partie II

9.2

Chapitre 4

Chapitre 5

Chapitre 6

Chapitre 7

Chapitre 9

59

55

43

Zone de charge d’espace en équilibre thermique . . . . . . . . . . . . . . . . Zone de charge d’espace hors équilibre thermique . . . . . . . . . . . . . .

 Courants d’électrons et de trous. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43 44 45 48 50

 Recombinaisons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Chapitre 10

 Modélisation électrique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 Prédominance du silicium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

37

29 34

83

73

85 85

Chapitre 11  Processus de formation des cellules solaires et fabrication des plaquettes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Les quatre catégories de cellules solaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1 6.2

5.1 5.2

 Zone de charge d’espace. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Chapitre 8

Calcul des recombinaisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recombinaisons radiatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recombinaisons d’Auger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recombinaisons de ShockleyReadHall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recombinaisons surfaciques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

 Caractéristiques d’une cellule solaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9.1

Jonctionp/n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .en équilibre thermique Jonctionp/nhors équilibre thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Hors équilibre thermique et à l’ombre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 9.1.1 Circuit à une diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 9.1.2 Circuits à diodes en parallèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 9.1.3 Courants pour une cellule éclairée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Régime transitoire pour une cellule à l’ombre et une cellule éclairée 72

Table des matières

11.2 Étapes de fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Fabrication des plaquettes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86 91

Chapitre 12  Texture93. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1 Microtexturation chimique par voie humide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 12.1.1 Cellules solaires monocristallines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 12.1.2 Cellules solaires multicristallines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 12.2 Nanotexturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 12.2.1 Nanotexturation par gravure ionique réactive (Reactive Ionic Etching, RIE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 12.2.2 Nanotexturation par Na 2 S 2 O 8 et particules d’argent 105. . . . . . 12.2.3 Nanotexturation par lithographie et impression nanométrique aux UV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 12.3 Effets secondaires électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 12.4 Comparaisons entre texturations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

Chapitre 13  Diffusion des atomes dopants dans le substrat115. . . . . . . . . . . . 13.1 Lacunes et autointerstitiels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 13.2 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 13.2.1 Diffusion des défauts ponctuels natifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 13.2.2 Autodiffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 13.2.3 Grandeurs macroscopiques de la diffusion . . . . . . . . . . . . . . . 120 13.2.4 Méthodes de diffusion et de piégeage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 13.3 Procédé de diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

Chapitre 14  Passivation de la cellule solaire131. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1 Fondements de la passivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 14.2Passivationàl’avantpardépôtdecouchessurlesilicium.........132 14.2.1 Dioxide de silicium amorphe (SiO 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . ) . 132 14.2.2 Nitrure de silicium (SiN x ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 14.2.3 SiO x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 14.2.4 SiC x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 14.2.5 Alumine (Al 2 O 3 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 14.2.6 Couches intermédiaires en silicium amorphe intrinsèque et dopé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

v ii

Les cellules photovoltaïques en silicium : théorie et fabrication

v iii

14.3 Passivation par un champ de surface arrière (Back Surface Field, BSF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Chapitre 15  Couches antireflet141. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.1 Calculs d’intensité lumineuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 15.1.1 Méthode des matrices de transfert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 15.1.2 Méthode de radiation nette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

Chapitre 16  Collecteurs et bus153. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.1 Conduction et modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 16.2 Métallisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 16.2.1 Métallisation à l’avant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 16.2.2 Métallisation à l’arrière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

Chapitre 17

 Isolation électrique de la cellule163. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Chapitre 18  Les cellules du futur165. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.1 Cellule à emetteur et face arrière passivés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 18.2 Cellule traversée par des connecteurs métalliques (Metal Wrap Through Solar Cell167, MWT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.3 Cellule à émetteur et face arrière passivés et traversée par des connecteurs métalliques (PERCMWT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 18.4 Cellule traversée par des émetteurs cylindriques (Emitter WrapThrough Solar Cells, EWT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 18.5 Cellule à substrat fritté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 18.6 Cellules à substrat de type n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 18.6.1 Jonction arrière en alliage d’aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 18.6.2 Cellules à émetteur avant créé par diffusion de bore . . . . . . . 173 18.6.3 Cellule contactée à l’arrière avec une jonction obtenue par diffusion de bore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 18.6.4 Hétérojonctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

Bibliographie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

PrÈface

Par essence, le « photovoltaïque » est un domaine multidisciplinaire, qui requiert des compétences dans un nombre de domaines impressionnant : chimie, phy sique, science des matériaux, optique, technologies de productions. Ces compétences doivent relever d’une maîtrise exemplaire du sujet. La force de la technologie domi nante, basée sur des plaquettes de silicium, est liée, entre autres, à la possibilité de découpler en six les grandes étapes de fabrication « du sable jusqu’au module ». Ces étapes peuvent être optimisées pratiquement indépendamment les unes des autres : préparation et purification du polysilicium, croissance de lingots monocristallins ou multicristallins, sciage des lingots pour l’obtention des plaquettes de silicium, transformation de la plaquette en une cellule solaire fonctionnelle, et finalement as semblage des cellules en modules. Chacune de ces étapes comporte typiquement dix à vingt sousétapes offrant chacune de nombreuses possibilités d’amélioration ou de substitution. Si les étapes de fabrications sont découplées, elles n’en sont pas moins interdépendantes : la qualité du polysilicium et le processus de cristallisation peuvent fortement influencer le rendement d’une cellule, les défaux induits par le sciage né cessitent une adaptation du procédé de texturisation des plaquettes, la diffusion et l’hydrogénation de la cellule peuvent améliorer les propriétés de la plaquette. Fina lement toute la chaîne va influencer la performance du module solaire en condition réelle, y compris les possibles dégradations du rendement avec le temps, et la durée de vie du module. La maîtrise de l’ensemble de la chaîne est essentielle pour arriver à des coûts bas de production du courant solaire.

ix