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RÉSUMÉ
La recherche de dispositifs photovoltaïques plus efficaces nécessite non seulement le développement de nouveaux matériaux, mais également la compréhension des processus de vieillissement des dispositifs existants. Cet article présente un aperçu du principe de fonctionnement des cellules solaires, des principaux phénomènes qui diminuent leur efficacité et des différentes techniques de leur caractérisation. Une bonne compréhension de ces aspects permet de mieux appréhender les mécanismes de dégradation des modules. Considérant que les modules à base de silicium représentent 95 % des cellules solaires utilisées aujourd'hui, cet article se focalise sur un des principaux mécanismes de dégradation de ces modules, celui induit par la lumière et les hautes températures (LeTID). Les hypothèses sur les origines et les stratégies d'atténuation du LeTID sont discutées en détail.
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Elisa TEJEDA ZACARIAS : Doctorante - EDF R&D SYSTEME, IPVF, LPICM École Polytechnique, Palaiseau, France.
INTRODUCTION
Dans un monde qui nécessite de plus en plus d’énergie électrique, la recherche de sources d’énergie plus propres que le pétrole et le gaz est devenue une priorité. De nos jours, différentes technologies sont appliquées comme énergies renouvelables, offrant la possibilité de réduire la consommation d’énergie provenant de sources non vertes. Parmi elles, les technologies photovoltaïques tiennent une place importante sur le marché des énergies renouvelables. En 2020, 3,1 % de la production mondiale d’électricité provenait d’équipements photovoltaïques, ce qui la place au troisième rang des technologies de production d’électricité renouvelable derrière l’hydroélectricité et l’éolien terrestre.
Le silicium est, de loin, le matériau semi-conducteur le plus couramment utilisé dans les cellules solaires, représentant environ 90 % des modules vendus aujourd’hui. Cependant, dans la quête de modules photovoltaïques performants, le développement de nouveaux matériaux qui permettront de convertir plus efficacement la lumière du soleil en énergie électrique est l’une des priorités. En parallèle, une compréhension de la fiabilité et des durées de vie des technologies déjà opérationnelles est nécessaire. En effet, les mécanismes de dégradation des systèmes photovoltaïques conduisent à des pertes de puissance de sortie des panneaux rendant ainsi les dispositifs peu performants. Les écarts de performance peuvent être directement liés à différents mécanismes de dégradation provenant de l’exposition des cellules solaires aux conditions ambiantes ou au vieillissement des composants.
L’un des principaux modes de dégradation des cellules solaires à base de silicium est la dégradation induite par la lumière et les hautes températures (LeTID). Une telle dégradation peut diminuer jusqu’à 15 % la production électrique du panneau solaire en une ou deux décennies. Afin de mieux comprendre ce phénomène, le fonctionnement des cellules solaires, les différents types de cellules solaires et les processus de dégradation sont résumés dans cet article. La description du principe de fonctionnement des modules photovoltaïques, de la génération des porteurs de charge à leur extraction jusqu’à la production de courant, est présentée dans une première partie. Les principaux types de modules photovoltaïques, ainsi que les techniques de caractérisation et les mécanismes de dégradation les plus courants sont ensuite détaillés. Enfin, les principales hypothèses et les stratégies d’atténuation du LeTID sont abordées.
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3. Dégradation induite par la lumière et les hautes températures
Les changements de lumière et de température peuvent également induire une certaine dégradation des matériaux des cellules solaires. Dans le cas du silicium amorphe, l’inclusion d’environ 10 % d’hydrogène (a-Si:H) sert à saturer de nombreuses liaisons pendantes. La figure 9 représente schématiquement la structure atomique du matériau a-Si:H. Ainsi, la densité d’états dans la bande interdite est considérablement réduite et le matériau peut être dopé. Toutefois, la saturation des liaisons pendantes avec l’hydrogène n’est pas totalement stable. Lors de l’éclairement, les liaisons sont à nouveau rompues par la recombinaison. Cette propriété, connue sous le nom d’effet Staebler-Wronski (SWE), conduit à une diminution régulière du rendement des cellules solaires en a-Si:H. Un autre exemple de vieillissement des modules à base de silicium est la dégradation induite par la lumière et une température élevée (LeTID). Les défauts qui provoquent la dégradation LeTID n’ont pas encore été déterminés. On pense que l’exposition à la lumière du soleil et à des températures autour de 70 °C pendant quelques années modifie la structure du « défaut LeTID », de sorte qu’il est activé pour capturer des électrons. En outre, l’exposition continue à ces conditions inhibent les défauts LeTID actives, mais sur des périodes de temps extrêmement longues (20 à 30 ans). Cette dégradation n’est pas encore bien comprise et provoque d’importantes pertes de puissance au fil des années.
Les propriétés des cellules solaires en service sont affectées par le changement des conditions ambiantes telles que la température et la quantité de lumière incidente. L’accroissement de l’intensité lumineuse incidente sur une cellule solaire augmente la température de fonctionnement de ladite cellule. De tels dispositifs sont sensibles à la température, car les augmentations de température réduisent la bande interdite du matériau semi-conducteur. Ces phénomènes et leur impact sur les propriétés du module photovoltaïque sont bien connus. Néanmoins, il a...
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BIBLIOGRAPHIE
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