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RÉSUMÉ
La croissance constante de la demande en énergie associée au réchauffement climatique annoncé sont des facteurs très motivants pour le développement des cellules photovoltaïques les plus performantes et les moins coûteuses. Cet article passe en revue la chaîne de valeur de différentes technologies de fabrication des cellules photovoltaïques. Ainsi, il sera question des cellules à base de silicium cristallin et amorphe, voire une combinaison des deux. Il s’agira également des cellules en couches minces inorganiques (CdTe, CIGS, GaAs…), organiques (polymères, petites molécules) et également hybrides organique-inorganique (DSSC, pérovskites). Cet article aborde également le marché photovoltaïque en s’intéressant aux usages, à l’évolution de la demande et aux coûts.
The ever-increasing demand for energy combined with global warming have been the driving forces toward the development of the most efficient photovoltaic cells, and the search for innovative processes to drastically reduce manufacturing costs. This review reports on the value chain of several photovoltaic cell manufacturing technologies, some of which are already on the market, while others are still at the research stage or at best being developed by start-ups. These include crystalline and amorphous silicon cells, or a combination of the two. Inorganic thin-film cells (CdTe, CIGS, GaAs...), organic thin-film cells (polymers, small molecules) and organic-inorganic hybrid cells (DSSC, perovskites) are also covered. The review also looks at the photovoltaic market in terms of uses, demand trends and costs.
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Abdelilah SLAOUI : Directeur de recherche CNRS - Laboratoire des sciences de l’ingénieur, de l’informatique et de l’imagerie - ICube, CNRS, université de Strasbourg, Illkirch-Graffenstaden, France
INTRODUCTION
La conversion directe de la lumière du soleil en électricité grâce au photovoltaïque (PV) a déjà franchi le seuil de rentabilité économique par rapport aux autres sources de production d’électricité, et ce dans plusieurs régions du monde. Ceci a pu avoir lieu à cause de la conjugaison de plusieurs facteurs : un progrès technique important aux niveaux des matériaux et des composants permettant d’augmenter les rendements de conversion à des valeurs proches des limites théoriques, une demande très forte de panneaux photovoltaïques justifiée par une volonté mondiale de réduction des émissions de CO2, et enfin des investissements colossaux dans les usines de production des semi-conducteurs, et en particulier du silicium, et de fabrication de cellules et modules. Par ailleurs, alors même que la cellule photovoltaïque en fonctionnement produit de l’électricité sans aucun rejet dans l’atmosphère, beaucoup de procédés actuels de fabrication mettent en jeu trop de matériaux critiques (métaux nobles, Pb…) ou des opérations qui nécessitent l’usage de produits chimiques, des gaz toxiques et des traitements énergivores.
Cet article présente les différentes filières d’élaboration du dispositif photovoltaïque en se concentrant sur les matériaux utilisés et les technologies associées. Les procédés de fabrication des composants photovoltaïques, fortement liés aux matériaux absorbants le rayonnement (semi-conducteurs inorganiques, polymères…) pour la conversion seront détaillés et plusieurs verrous d’ordres technologiques et écologiques restant encore à lever seront mentionnés. Les rendements de conversion actuels et potentiels des composants photovoltaïques seront présentés et commentés.
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MOTS-CLÉS
semi-conducteur Silicium cellule solaire cellule en couche mince inorganique cellule en couche mince organique cellule en couche mince hybride
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 2007 par Jean-Claude MULLER
- Version archivée 2 de janv. 2013 par Abdelilah SLAOUI
- Version archivée 3 de avr. 2016 par Abdelilah SLAOUI
- Version archivée 4 de nov. 2019 par Abdelilah SLAOUI
DOI (Digital Object Identifier)
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2. Filières technologiques
2.1 Première génération : filière silicium en plaquettes
La figure 3 présente l’évolution de la production des modules photovoltaïques par technologie depuis 2011. Elle montre clairement que le silicium cristallin, mono (sc-Si) ou multi (mc-Si), est le principal matériau de base pour la production des modules par rapport à ceux à base de couches minces (CIGS, CdTe…). En fait, ce n’est pas étonnant puisque le silicium est l’un des éléments les plus abondants sur terre, parfaitement stable thermiquement et chimiquement, ainsi que non toxique. Sa physico-chimie est très bien maîtrisée grâce aux nombreuses connaissances acquises dans le domaine de la microélectronique. Alors que le silicium multicristallin (mc-Si) avait percé fortement vers 2017, il ne constitue plus qu’une faible fraction aujourd’hui puisque près de 95 % des modules produits en 2022 sont à base de cellules en silicium monocristallin (sc-Si). Les couches minces composées d’autres matériaux contribuent, à la marge aujourd’hui, à l’augmentation de la gamme des produits photovoltaïque disponibles et stimulent ce marché très prometteur. Aujourd’hui, plusieurs sont au stade préindustriel, au niveau de la recherche ou encore à la validation du concept.
HAUT DE PAGE2.1.1 Matière première de silicium
À la base de toute l’industrie électronique moderne, le silicium est obtenu par réduction de la silice dans un four électrique à arc à plus de 200 °C. On obtient ainsi un matériau dit « métallurgique », dont la pureté est d’environ 98 %. Ce produit est purifié par chlorination à 300 °C, ce qui donne du silicium sous forme gazeuse (trichlorosilane ou silane). Après pyrolyse et réduction par de l’hydrogène à 1 100 °C, le matériau obtenu est sous la forme d’une poudre de haute pureté ; les traces d’impuretés résiduelles dans cette poudre sont inférieures au ppm (partie par millions) masse. Il sert alors de produit de départ pour la croissance de lingots, qui sont utilisés dans les industries de la microélectronique et photovoltaïque et dans lesquels sont découpées les plaquettes....
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BIBLIOGRAPHIE
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (EU/PVSEC) http://www.photovoltaic-conference.com
IEEE Photovoltaic Specialist Conference (IEEE PVS) http://www.ieee-pvsc.org
European Materials Research Society Conference (E-MRS)
Journées nationales sur le Photovoltaïque (JNPV)
Journées nationales de l’Énergie solaire (JNES)
HAUT DE PAGE
http://www.photovoltaique.info/Normes-et-guides-des-circuits.html
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