Technologies photovoltaïques - Principes, filières et chaîne de valeur du silicium

1 - Le photovoltaïque : fonctionnement d’une cellule, pertes et stratégies pour les limiter

• 1.1 - Principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
  Figure 1 - Diagramme de bande d’énergies pour trois types de matériaux (Crédit Astier) Figure 2 - Limite du rendement théorique de Shokley-Queisser pour différents semi-conducteurs en fonction de leur gap Figure 3 - Schéma de principe générique d’une cellule photovoltaïque Figure 4 - Caractéristiques courant-tension et puissance d’une cellule photovoltaïque au silicium cristallin sous illumination Figure 5 - Spectre solaire et partie en blanc potentiellement extraite d’une cellule silicium Figure 6 - Chemins optiques du rayonnement à l’extérieur et à l’intérieur de la cellule Figure 7 - Représentation schématique des différentes contributions à la résistance série Figure 8 - Conversion vers le bas au cours de laquelle un matériau absorbe un photon de forte énergie et restitue cette énergie sous forme de deux photons d’énergie intermédiaire Figure 9 - Impact de la conversion vers le bas et vers le haut pour l’amélioration du rendement Figure 10 - Empilement schématique de 3 sous cellules de gap différents avec Gap1 < Gap2 < Gap3 et gammes de longueur d’onde adressées par chaque sous-cellule Figure 11 - Exemple de silicium texturé imparfaitement avec des tailles de pyramides hétérogènes (Crédit CEA) Figure 12 - Mise en place en face avant d’une couche anti-reflet pour un meilleur confinement optique et d’un réflecteur en face arrière permettant de réfléchir les photons non encore absorbés Figure 13 - Réflectivité du silicium poli (Reff = 33,5 %) sans et avec couche anti-reflet (Reff = 6,5 %) (Crédit CEA)
• 1.2 - Historique technologique
  Figure 14 - Les différentes classes de semi-conducteurs et les technologies correspondantes en mode cellule unitaire ou en mode intégration monolithique, ainsi que leur statut en termes industriels Figure 15 - Structure type de l’interconnexion monolithique permettant de définir des cellules unitaires au sein d’un procédé de type couche mince

2 - Les différentes filières technologiques

• 2.1 - Le silicium cristallin
  Figure 17 - Évolution des technologies silicium industrielles et rendement maximum potentiel d’une cellule de taille industrielle (Crédit CEA) Figure 18 - Structure d’une cellule en silicium cristallin Al BSF (Crédit CEA) Figure 19 - Structure d’une cellule PERC (Crédit CEA) Figure 20 - Structure des cellules à contacts passivants « haute température » (polysilicium et oxyde tunnel en face arrière) (Crédit CEA) Figure 21 - Structure de la cellule hétérojonction (HJT) et procédé de fabrication (Crédit CEA) Figure 22 - Structure d’une cellule IBC de type TOPCON (Crédit CEA)
• 2.2 - Comparaison des différentes technologiques silicium
  Figure 23 - Parts de marché des différentes technologies silicium actuel et projeté dans le temps (Crédit ITRPV) Figure 24 - Évolution attendue des rendements des différentes technologies (Crédit ITRPV) Figure 25 - Comparaison des différentes étapes de fabrication des différentes technologies de cellules et potentiel ultime estimé (Crédit CEA)
• 2.3 - Les technologies couches minces
  Figure 26 - Structure d’une cellule tandem a-Si : H/µc-Si : H déposé sur verre Figure 27 - Structure d’une cellule CIGS (NREL) Figure 28 - Structure d’une cellule de type CdTe (NREL) Figure 29 - Exemple de cellules organiques : la couche accepteur joue le rôle de la base et la couche donneur, celle de l’émetteur dans une cellule classique Figure 30 - Exemple de structure d’une cellule de Graetzel Figure 31 - Exemple de cellule à Perovskite et représentation de la structure cristalline d’une Perovskite
• 2.4 - La technologie III/V
  Figure 32 - Exemple de cellule III/V triple jonction, permettant de capter une partie plus importante du spectre solaire Figure 33 - Exemple d’une installation à concentration Amonix aux Etats-Unis

3 - Focus sur le silicium cristallin et sa chaîne de valeur associée

• 3.1 - Le polysilicium ultrapur
  Figure 36 - Les étapes de fabrication du polysilicium ultrapur
• 3.2 - Le wafer ou tranche de silicium : cristallisation et « wafering »
  Figure 37 - Les étapes de fabrication pour passer du polysilicium ultrapur aux cellules puis modules photovoltaïques Figure 38 - Évolution de la taille des tranches de silicium de M0 (156 mm de côté) à M12 (210 mm de côté) en une quinzaine d’années (2010-2025) Figure 39 - Schéma de principes de la découpe d’une brique de silicium en wafer par scie à fil diamanté
• 3.3 - L’étape technologique du module
  Figure 40 - Schéma de principe de construction d’un module photovoltaïque silicium (Crédit CEA) Figure 41 - Procédés de fabrication des modules ; exemple d’une plateforme laboratoire de prototypage de module PV (Crédit CEA)

4 - Perspectives pour l’avenir et tendances technologiques

• 4.1 - La fin des cellules silicium ?
• 4.2 - Les cellules tandem PK/silicium
  Figure 42 - Approche 2T versus 4 T Figure 43 - Rendement de conversion en fonction de la taille de la cellule tandem PK/Si et en fonction de la technologie de cellules silicium Figure 44 - Schéma d’une cellule PK/Si hétérojonction
• 4.3 - Les cellules tandem en couches minces

5 - Conclusion