Les cellules photovoltaïques, cœur des panneaux solaires

De nombreuses cellules photovoltaïques ont vu le jour pour exploiter au mieux la lumière du Soleil au travers de panneaux solaires. Afin de produire de l’électricité, silicium, terres rares ou plastiques sont employés, mais chaque technologie a des atouts et des faiblesses dans ce domaine prometteur.

ParQuentin Mauguit, Futura-Sciences

Le Soleil fournit chaque année suffisamment d’énergie pour répondre plus de 7.500 fois aux besoins de la population mondiale. Progressivement, de nouvelles installations solaires voient le jour en France pour tirer profit de cette ressource. La production d’électricité est assurée par des structures parfois épaisses de quelques micromètres seulement : lescellules photovoltaïques, coeur des panneaux solaires.
La société actuelle veut faire la part belle aux énergies renouvelables, c’est-à-dire dont la ressource ne diminue pas à l’échelle d’une vie humaine. Deux exemples sont le vent ou la lumière solaire. Ces dernières années, la lumière de l’astre du jour est particulièrement prisée par de nombreux particuliers et industriels, qui hésitent de moins en moins à installer des panneaux solaires sur leurs toits. Pour preuve, le parc photovoltaïque raccordé au réseau d’ERDF en France métropolitaine affichait en 2005 une puissance cumulée de 5 mégawatts (MW). Elle est maintenant supérieure à 3.339 MW (chiffre à fin juin 2013).

L’énergie solaire est exploitée par l’Homme pour produire de l’électricité à l’aide de cellules photovoltaïques, coeur des panneaux solaires, mais elle est également à l’origine du cycle de l’eau, des vents ou encore de la photosynthèse pratiquée par les végétaux. © Claudio Vaccaro, Flickr, cc by nc nd 2.0
Pour mieux aborder ce sujet, Futura-Sciences était présent aux Journées nationales du photovoltaïque (JNPV) qui se sont tenues à Chantilly en décembre 2012. Nous nous sommes alors rendu compte à quel point la recherche, ici française, est active dans ce domaine qui est toujours en constante évolution. Il serait trop long d’aborder en détail toutes les recherches et améliorations. Les présentations technologiques qui vont suivre gardent donc une certaine hauteur par rapport à ces avancées.
À travers ce dossier, Futura-Sciences a souhaité, après avoir rappelé la place de l’énergie solaire dans le monde et son histoire, décortiquer les panneaux solaires pour en découvrir le cœur : la cellule photovoltaïque. Son principe de fonctionnement sera tout d’abord décrit en détail, puis les principales technologies seront passées en revue (silicium cristallin ou amorphe, CdTe, CIGS, CZTS, etc.). Leurs avantages ou inconvénients, mais aussi leurs procédés de fabrication et leurs performances actuelles n’auront bientôt plus aucun secret pour vous. Parce que notre époque l’impose, il sera également question de leur impact sur l’environnement et de leur recyclage.
De nombreux pays souhaitent réduire leurs émissions de gaz à effet de serre. Pour ce faire, ils ont décidé de développer diverses filières exploitant des énergies renouvelables. L’une d’entre elles profite d'une ressource particulièrement abondante et inépuisable : lalumière solaire.
Le réchauffement climatique actuel pousse de nombreux pays à rechercher de nouvelles sources d’énergie moins polluantes. L’éolien a ainsi le vent en poupe depuis quelques années, comme la filière du photovoltaïque. En effet, le Soleil est une source intarissable d’énergie. Une fraction de celle-ci nous parvient à chaque instant sous la forme de lumière. Notre planète reçoit en un peu plus d’une heure autant d’énergie que la consommation annuelle de la population mondiale.
Cette information mérite d’être déclinée en quelques chiffres. La densité du flux d’énergie arrivant au niveau de notre atmosphère équivaut à 1.367 W/m2. Il s’agit précisément de la constante solaire, qui caractérise la quantité d’énergie solaire que recevrait une surface d'un mètre carré placée perpendiculairement aux rayons du Soleil au-dessus de notre atmosphère, soit à 150 millions de kilomètres de notre étoile. Ainsi, la Terre serait soumise à chaque instant à une irradiation de 174 pétawatts (1015 W). Ne l’oublions pas, nous sommes toujours au-dessus de l’atmosphère.
Irradiation solaire moyenne de l’Europe entre avril 2004 et mars 2010. Les valeurs (voir l’échelle colorimétrique) sont exprimées en kWh/m2. Plus les teintes sont rouges, plus il est intéressant d’installer des panneaux photovoltaïques. © SolarGIS, GeoModel Solar, 2011
Les nuages, océans et continents de la planète n’absorbent pas l’intégralité de l’énergie qui nous est transmise. À elle seule, l’atmosphère en réfléchirait environ 30 %. La Terre capte donc annuellement l’équivalent de l’énergie fournie par 92.000 milliards de tonnes de pétrole (Gtep, milliard de tonnes d’équivalent pétrole). Par comparaison, la consommation énergétique mondiale annuelle vient de franchir le cap des 12 Gtep en 2011. Ainsi, le Soleil nous fournit chaque année de quoi subvenir environ 6.300 fois aux besoins énergétiques de la planète pour une même période, en tenant compte du fait que les rendements de conversion ne peuvent théoriquement pas être supérieurs à 82 % (ils sont actuellement bien en deçà). Évidemment, il n’est pas envisageable d’exploiter cette ressource dans son intégralité, notamment parce qu’il est impossible de recouvrir totalement les océans et les terres cultivées avec des panneaux solaires.

S’il est de plus en plus fréquent d’observer des panneaux solaires installés sur des toits, leur anatomie interne reste bien souvent méconnue, comme leur principe de fonctionnement. Le cœur d’une installation solaire n’est autre qu’un ensemble de cellules photovoltaïques composées de matériaux semi-conducteurs. Découvrons en détail ce qui se passe lorsqu’un photon y pénètre, percute un atome de silicium et excite unélectron.
Les habitations françaises abritant des installations photovoltaïques possèdent en moyenne 10 à 20 panneaux solaires sur leur toit. En réalité, chaque panneau est composé d’une quarantaine de composants électroniques, ceux-là mêmes qui produisent l’électricité lorsqu’ils sont exposés à lalumière : les cellules photovoltaïques.
Elles doivent, pour être fonctionnelles, pouvoir réaliser trois types d’opération :
absorber la lumière et produire en retour des paires électrons-trous ;
faire migrer les charges créées vers deux extrémités différentes ;
et enfin, les évacuer grâce à des circuits externes.
Analysons ces différentes étapes plus en détail.
Séparation des charges en présence de lumière
Les matériaux semi-conducteurs constituent le cœur des cellules photovoltaïques. Leurs atomes possèdent des électrons présentant des niveaux d’énergie discrets bien définis (selon la théorie des bandes). Ils sont alors sur leur bande de valence. Cependant, l’arrivée de photons peut changer la donne.
Lors de collisions avec les atomes, les photons peuvent transférer leur énergie aux électrons, au point de les exciter et ainsi de les forcer à quitter leur bande de valence pour rejoindre la bande de conduction (ce qui est possible grâce à la faible épaisseur de la bande interdite). Ils peuvent alors se déplacer dans la matière, tout en laissant un « trou » derrière eux. Pour rappel, les électrons sont chargés négativement. Les trous ont donc une charge positive.
Cette première étape est importante, mais elle ne suffit pas pour générer le courant souhaité. Il faut parvenir à séparer les trous des électrons pour éviter leur recombinaison.
La jonction p-n, clé du succès des cellules photovoltaïques
La meilleure solution pour séparer les charges consiste à utiliser un champ électrique qui doit, pour bien faire, apparaître spontanément durant la fabrication des cellules. C’est pourquoi le fonctionnement même des cellules photovoltaïques repose sur l’utilisation de jonctions p-n.

En interagissant avec les atomes du semi-conducteur, les photons provoquent la formation d’une paire électron-trou. Les charges sont séparées grâce à la jonction p-n qui se crée lorsque l’on met en contact deux couches de semi-conducteurs dopés différemment. © CEA
Les cellules photovoltaïques au silicium cristallin, les plus vendues dans le monde, se composent en réalité d’un semi-conducteur dont les parties supérieures et inférieures sont dopées différemment. Elles se distinguent par le nombre de charges négatives qu’elles possèdent. La première est dite « dopée de type n » (pour négatif), car elle renferme un surplus d’électrons par rapport au matériau non dopé, tout en restant neutre électriquement. La seconde est quant à elle « dopée de type p » (pour positif), car elle affiche un déficit en électrons.
Lorsque les deux couches sont mises en contact, les électrons en excès de la partie n diffusent spontanément vers la région déficitaire. Les couches n et p deviennent alors respectivement positive et négative. Il se crée donc un champ électrique qui tend à repousser les électrons excités par les photons vers la couche n, et les trous vers la couche p, où des collecteurs se chargent de les récolter. On peut ainsi mesurer une différence de potentiel entre les deux structures. Si la cellule est illuminée et que l’on ferme le circuit en raccordant ses deux bornes à unréseau électrique ou sur un appareil, un courant électrique est fourni par la cellule.
Le dopage des semi-conducteurs
L’efficacité du système repose donc sur la facilité avec laquelle le semi-conducteur peut donner des électrons, ainsi que sur le dopage des différentes couches qui améliore la conductivité des charges. Concrètement, en quoi consiste ce dopage ?
Les atomes de silicium (Si) possèdent quatre électrons de valence. Cet élément est donc classé dans la colonne IVA du tableau de Mendeleïev. Tous ces électrons de valence établissent des relations avec les atomes voisins au sein du matériau. Il n’y a donc pas d’électron à donner pour la réalisation de la jonction p-n.
Pour résoudre ce problème, des chercheurs ont eu l’idée de remplacer des atomes de Si par des atomes possédant cinq électrons périphériques, comme les atomes de phosphore, d’arsenic ou d’antimoine (colonne VA du tableau de Mendeleïev). Quatre d’entre eux se lient aux atomes de silicium voisins, tandis que l’agitation thermique suffit pour faire monter le cinquième électron sur sa bande de conduction, d’où il peut alors répondre à l'existence de la jonction p-n.

Organisation atomique d’un semi-conducteur, ici du silicium (Si) dopé n. Un atome de Si a été remplacé par un atome de phosphore (en rouge). L’un des électrons du phosphore (e-) ne peut pas établir de liaison avec un atome voisin. Il peut donc facilement se déplacer. © Guillom, Wikimedia Commons, cc by sa 3.0
Le dopage de la couche p fonctionne selon le même principe, si ce n’est qu'un atome de silicium est remplacé par un atome possédant trois électrons de valence, comme l’atome de bore (colonne III dans le tableau de Mendeleïev). Des trous apparaissent donc spontanément dans le semi-conducteur dopé p, puisque le nouvel arrivant ne se lie qu’à trois atomes de Si, et non quatre. Cette couche possède donc des sites de liaison qui restent vacants jusqu’à l’arrivée des charges négatives de la couche n.

Organisation atomique d’un semi-conducteur, ici du silicium dopé p. Un atome de bore, qui ne possède que trois électrons, a remplacé un atome de silicium. L’un des électrons de l’atome de silicium situé à droite du bore (en vert) ne peut donc pas établir de liaison. © Guillom, Wikimedia Commons, cc by sa 3.0
Tous ces concepts vont dorénavant servir de fil rouge à ce dossier. En effet, quelles que soient les cellules décrites, elles possèdent toutes des matériaux dopés établissant des jonctions p-n. Avant de plonger dans l’anatomie d’une cellule au silicium cristallin, découvrons comment ses principaux constituants sont fabriqués.
En 2011, 87 % des installations photovoltaïques installées dans le monde comportaient du silicium mono ou multi cristallin. Bien qu’étant l’élément chimique le plus abondant surTerre après l’oxygène, le silicium ne peut être trouvé à l’état pur. Il doit donc être extrait de la silice, purifié, mis en forme puis dopé avant d'être utilisé. Toutes ces opérations ont un important coût énergétique.
De nombreuses cellules photovoltaïques différentes existent de nos jours. Elles sont classées en trois générations. La première d’entre elles renferme les structures composées de silicium monocristallin ou multicristallin, qui se différencient donc par le procédé industriel employé pour fabriquer les galettes. La 2e génération rassemble les cellules dites à couches minces et les cellules organiques. Toutes les autres technologies (cellule de Grätzel, cellule à boîtes quantiques, etc.) appartiennent à la 3e génération.
Les cellules au silicium cristallin équipaient à elles seules 87 % des systèmes photovoltaïques installés dans le monde en 2011. Perçons le secret de leur fabrication.
Le silicium, l’élément le plus abondant sur Terre après l’oxygène
La croûte terrestre se compose à 25,7 % de silicium (Si). Cependant, cet élément, le plus abondant sur Terre après l’oxygène, n’est pas directement exploitable puisqu’il n’est pas présent à l’état pur. Il doit donc être extrait de différents minéraux, comme la silice (ou dioxyde de silicium SiO2), avant d’être exploité.
La silice correspond à la forme naturelle du SiO2. Ce minéral dur peut être trouvé dans des roches sédimentaires détritiques (comme le sable ou le grès), mais aussi dans des roches magmatiques ou métamorphiques. © Aschevogel, Flickr, cc by nc nd 2.0
Pour ce faire, il faut chauffer la matière première dans de puissants fours à arcs (jusqu’à 35 MW) afin d’atteindre des températures supérieures à 3.000 °C. Dans un premier temps, les blocs ou grains de silice sont placés dans une cuve en présence de matériaux réducteurs, tel du coke. Les arcs électriques sont ensuite générés entre des électrodes de graphite. Ils vont provoquer la montée en température, faire fondre la silice (dès 1.650 °C), puis faciliter la recombinaison de ses atomes d’oxygène avec le carbone du matériau réducteur. Il s’en suit alors un dégagement de monoxyde de carbone (CO) et de dioxyde de carbone (CO2) tandis que du silicium s’écoule hors du four par des orifices adaptés. Cette matière renfermant encore de nombreuses impuretés est à ce stade qualifiée de métallurgique.
Le silicium ne devient pur à 99,9999 % qu’après avoir subi différents traitements physiques et chimiques complémentaires. Il est alors suffisamment pur pour être utilisé dans l’industrie photovoltaïque. C'est en adaptant l'étape suivante, la recristallisation, que le silicium va devenir soit monocristallin, soit multicristallin.
La fabrication des lingots de silicium
Le silicium multicristallin est facile à obtenir. Il suffit de placer la matière en fusion dans un creuset en graphite, puis de la refroidir par le bas durant plusieurs dizaines d’heures. La solidification se fait donc de bas en haut, tout en causant l’apparition de plusieurs cristaux à gros grains dans la colonne. Le lingot obtenu peut ensuite être découpé en briques de dimensions définies.

Le silicium monocristallin se présente sous la forme d’un cylindre composé d’un seul et unique cristal (à gauche). Cette structure subit, après sa fabrication, un équarrissage afin que les galettes produites par la suite aient une forme carrée (leurs coins sont cependant arrondis). Le silicium multicristallin est quant à lui directement refroidi dans une lingotière rectangulaire mais, comme son nom l’indique, il est fait d’un grand nombre de cristaux (ils correspondent aux taches visibles sur le lingot de droite). © DR
La fabrication du silicium monocristallin nécessite plus d’opérations (procédé de Czochralski). La matière première en fusion est coulée dans un creuset en quartz où elle est maintenue à l’état liquide, mais à la limite de la solidification, par chauffage. L’atmosphère est alors neutralisée grâce à l’injection d’argon, afin d’éviter tout problème d’oxydation. Par la suite, un germe monocristallin présentant une orientation cristallographique connue est mis en contact avec le liquide, puis progressivement tiré vers le haut (vitesse de 1 mm/sec) et mis en rotation (30 tours/min). Du silicium liquide est alors entraîné à sa suite. Il va rapidement refroidir et donc se solidifier, tout en adoptant l’orientation cristallographique du précurseur.
Il se forme ainsi un seul et unique cristal géant de forme cylindrique. Il est ensuite équeuté (les extrémités riches en impuretés ou mal cristallisées sont retirées), avant de subir une opération d’équarrissage. Ses bords sont donc coupés de manière à lui donner une forme carrée, mais avec des coins arrondis.
Un lingot pour 2.000 wafers de silicium
Les lingots et les briques sont ensuite simultanément découpés en plusieurs centaines de plaques grâce à des scies à fils (certaines entreprises en découpent jusqu’à 2.000 en une fois). Ces galettes, ou wafer en anglais, font 200 à 350 µm d’épaisseur.
Près de 30 à 40 % de la matière est perdue durant cette étape, car les scies à fil font au moins 150 μm de diamètre, et le volume scié est réduit en poudre. Elle peut cependant être recyclée sous certaines conditions, par exemple lorsque le silicium monocristallin a été débité à l’aide d’une scie diamantée. Les plaquettes multicristallines sont pour leur part découpées avec des fils métalliques recouverts par d'autres mélanges d’abrasifs.
Le dopage, la clé de la jonction p-n
À ce stade, les galettes de silicium sont dopées uniformément p ou n, selon leur position initiale dans le lingot. La prise de contact des deux côtés n’aboutirait donc pas à la création d’une jonction p-n. Certaines zones de la plaquette doivent donc être enrichies en phosphore ou, à l’inverse, en bore.
Plusieurs procédés existent, mais seul celui qui est majoritairement utilisé par les industriels est présenté : la diffusion thermique. L’opération requiert à nouveau de hautes températures. Les galettes doivent en effet être chauffées entre 800 et 900 °C, avant qu’un gaz contenant la solution dopante, par exemple du chlorure de phosphoryle (type n) ou de diborane (type p), ne soit injecté dans le milieu. La chaleur permet alors au dopant d’acquérir suffisamment d’énergie pour pénétrer dans la matière, et ainsi aller s’immiscer entre des atomes de Si. Petit détail, un dopage efficace ne s’obtient que lorsque la température du four est parfaitement homogène.
Les autres procédés industriels de dopage sont : l’implantation ionique, la transmutation et la technique par laser. Dès la fin de cette étape, la jonction p-n est créée, les galettes peuvent être assemblées pour donner naissance à une cellule photovoltaïque cristalline.
Les cellules au silicium cristallin affichent de beaux rendements, le record ayant atteint 27,6 % en laboratoire. Ces entités photovoltaïques, qu'elles soient monocristallines ou multicristallines, possèdent de nombreux avantages, mais aussi quelques inconvénients dommageables comme leur poids ou leur rigidité.
La jonction p-n s’établit lorsque deux couches de silicium n’ayant pas le même dopage entrent en contact. En général, la strate n est placée au-dessus de la strate p, elle est donc la première à être exposée à la lumière solaire.
La strate n est conventionnellement recouverte d’une couche antireflet, et ce afin de minimiser la réflexion des photons. Dans l’architecture de cellule la plus classique, des collecteurs de charges sont alors ajoutés par le biais de techniques sérigraphiques, c’est-à-dire par l’ajout d’une pâte métallique (selon un motif défini) qui est par la suite solidifiée durant un nouveau passage dans un four. On dépose sur la couche p, à l’arrière, une électrode positive généralement en aluminium ou en argent, elle-même déposée sur un substrat. Cette métallisation conclut la fabrication des cellules en tant que telles.

Composition couche par couche d’une cellule photovoltaïque au silicium cristallin (en bleu et rose, respectivement en fonction des dopages n et p). La strate blanche correspond à la couche antireflet, qui est posée sur une couche d'oxyde de silicium (SiO2). Les structures grises correspondent aux collecteurs de charges. Les contacts du haut récoltent les électrons (-e), tandis que la structure en aluminium (en bas) se charge des trous (+hole). © Cuferz, Wikimedia Commons, cc by 3.0
Elles peuvent alors être assemblées en série ou en parallèle, selon les caractéristiques électriques souhaitées pour les panneaux, puis encapsulées. Les cellules photovoltaïques au silicium monocristallin sont d’un bleu ou d’un noir uniforme. En revanche, les structures multicristallines sont marquées par des motifs correspondant aux limites des cristaux.
Un succès important, mais des avantages en demi-teinte
Les cellules monocristallines (sc-Si) représentaient 30 % du marché mondial du photovoltaïque en 2011. Le rendement commercial des modules se situe entre 13 et 21 %, mais un record de 25 % a été obtenu en laboratoire (chiffre du National Renewable Energy Laboratory, NREL). Cette technologie est donc avantageuse, mais elle affiche un coût élevé en raison du prix des matériaux et de la quantité d’énergie requise durant leur préparation.

Les cellules photovoltaïques au silicium multicristallin sont aisément reconnaissables grâce aux motifs qu’elles affichent. Les éléments gris correspondent aux contacts métalliques de la face avant. © Cleary Ambiguous, Flickr, cc by 2.0
Rendement des cellules multicristallines
Le rendement des cellules multicristallines est certes moindre que celui des cellules monocristallines, entre 11 et 18 % pour les modules (record de 20,4 % pour les cellules), mais leur coût de fabrication aussi. Ainsi, environ 57 % des panneaux photovoltaïques vendus dans le monde en 2011 se composaient de cellules mc-Si. Elles seraient par ailleurs plus résistantes dans le temps (moins de perte de puissance) que les sc-Si, tout en étant moins affectées par le réchauffement qu'occasionne les expositions répétées au Soleil.
Inconvénients des cellules au silicium cristallin
Les cellules cristallines ont plusieurs inconvénients. Leur épaisseur les rend lourdes et surtout rigides, deux facteurs limitant sérieusement leurs possibilités d’installation lorsqu’elles sont intégrées dans des panneaux. Elles sont donc utilisées au sein de centrales solaires photovoltaïques ou sur des surfaces planes comme les toits. Un dernier inconvénient doit être souligné : leur rendement chute rapidement lorsque la luminosité s'amoindrit ou en présence de lumière diffuse… un peu plus que celui des cellules de deuxième génération (différence de 5 % sur l'énergie produite à l'année).