Clefs n°59 été 2010
Clefs n°59 été 2010
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de été 2010

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 160

  • Taille du fichier PDF : 16,5 Mo

  • Dans ce numéro : les matériaux au coeur du processus d'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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78 Des matériaux dédiés aux nouvelles technologies pour l’énergie Cellules photovoltaïques en silicium multicristallin de Photowatt. Vue de la face avant représentant la grille de contact et la couche antireflet (bleue). CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 Dans le domaine de la conversion photovoltaïque, l’utilisation du silicium multicristallin prime en raison de son faible prix dû à une production abondante (centaines de kilogrammes) qui s’obtient facilement, par simple refroidissement des creusets de fusion. Au lieu d’un monocristal, on obtient un matériau constitué de plusieurs cristaux complètement jointifs, appelés « grains », à la manière d’un puzzle tridimensionnel. De forme et de taille différentes, ces grains sont séparés par des joints de grains. Lors de la solidification, la germination et la I.V A. Gonin/CEA h h cristallisation de ces grains sont contrôlées pour obtenir des grains de grande taille et de forme colonnaire. De cette façon, une fois le lingot découpé en plaquettes de quelques centaines de microns, le grain sera continu entre les deux faces de la plaquette – cela minimise le nombre de joints de grains siège, source de pertes électriques. Le silicium une fois obtenu sous forme d’un barreau cristallin de 10 à 30 cm de diamètre et d’un mètre de long, s’en suit une étape critique, à savoir le sciage des cristaux : le cristal se découpe en tranche (ou plaquettes) pour fabriquer des cellules photovoltaïques. Il s’agit d’une opération très délicate mais néanmoins indispensable pour obtenir des plaquettes extrêmement fines. Dans un souci d’économie de matériau, si une faible épaisseur reste souhaitable, un minimum est néanmoins requis pour garantir la tenue mécanique des plaquettes et ainsi autoriser leur manipulation. Aujourd’hui, cette épaisseur s’établit à 150 microns et sera encore réduite dans les prochaines années. La réalisation de la cellule implique que le matériau soit dopé, généralement par l’introduction d’impuretés telles que le phosphore ou le bore. Les impuretés dopantes n’ayant pas le même nombre d’électrons que les atomes de silicium des cristaux, ces charges excédentaires modifient les propriétés électriques du silicium. Cette étape de dopage permet de contrôler la façon dont le silicium va conduire le courant électrique. Il s’agit d’une opération réalisée par diffusion thermique, soit lors de la cristallisation, soit, a posteriori, via un traitement de surface des plaquettes. Elle permet la formation d’une jonction p-n, c’est-à-dire la création d’un champ électrique au sein du matériau semi-conducteur : il devient alors possible de séparer les électrons et les trous créés par l’absorption de la lumière. Ces charges électriques peuvent alors être acheminées vers les contacts électriques situés aux bornes de la plaquette (figure 2). Elles forment ainsi le courant électrique produit par la cellule solaire. Si le bore et le phosphore restent des impuretés utiles et maîtrisées du point de vue électronique, il n’en va pas de même de nombreux autres éléments – par exemple le fer, le carbone ou l’oxygène. En effet, Figure 2. Cellule solaire standard à base de tranche de silicium (à gauche). Principe de fonctionnement d’une cellule solaire au silicium (à droite) avec la face avant en bleu clair, la face arrière en bleu foncé et la structure électrique de jonction pn (ligne violette). Les photons sont illustrés par h (quantité qui représente l’énergie du photon, le produit de la constance de Planck par la fréquence de la lumière qui est une onde). L’absorption d’un photon est signalée par l’éclat bleu et la séparation des électrons ainsi que des trous par l’éclat rouge. La puissance électrique délivrée (IV) produit le courant tension. Les circonférences représentent un atome ayant absorbé un photon : un électron est alors libéré (point noir). Après absorption du photon, se produit une diffusion des charges électriques vers les électrodes (en bleu) ; l’électron partant à gauche, l’autre est la charge complémentaire appelée « trou », c’est-à-dire une absence d’électron. Les flèches orange montrent la diffusion des charges dans le silicium. h P.Thony/CEA
Four de diffusion bore et phosphore utilisé pour le dopage (plateforme Restaure-Ines). certains éléments et certains défauts cristallins s’avèrent néfastes au transport des charges vers les électrodes : ils jouent comme des pièges et des centres de recombinaison. Par surcroît, ces éléments et ces défauts peuvent se combiner entre eux pour former des complexes, stables ou instables, dont les effets sur la photogénération et les recombinaisons des porteurs demeurent mal connus. Il convient donc de définir une qualité de matériau adéquate, suffisamment pure, mais pas trop, car une grande pureté implique un coût élevé – le cas notamment du silicium issu de l’industrie microélectronique. Il s’agit d’une direction des recherches actuelles menées au CEA. Sous la forme de plaquettes, le silicium reste un matériau sans réel concurrent aujourd’hui pour l’application photovoltaïque. On évoque parfois des alliages avec le germanium, le carbone voire l’étain, mais cela reste encore du domaine de la recherche amont. Les matériaux émergents Matériau de choix, car simple à concevoir et d’un faible coût de fabrication, le silicium en plaquette appelle néanmoins de meilleures performances. Celles-ci passent par une amélioration du « couplage » de la lumière solaire au film de silicium. Le problème du couplage de l’onde optique incidente (la lumière du Soleil) au semi-conducteur a été abordé dès le milieu des années 1990. Mais aujourd’hui, des avancées récentes permettent d’envisager sérieusement un Salle blanche pour les microsources d’énergie. P.Dumas/CEA P-F. Grosjean/CEA accroissement des performances à condition de résoudre deux problèmes : • une partie de la lumière étant réfléchie, elle ne pénètre donc pas dans le matériau – seulement de 10 à 20% dans les technologies les plus courantes ; • une fraction importante de la lumière, celle qui pénètre le film de semi-conducteur pour y être absorbée, possède une longueur d’onde mal adaptée au matériau (de l’ordre de 15 à 30%) ; s’ensuit un manque à gagner dû à la différence entre l’énergie des photons incidents et celle des charges électroniques générées par le silicium. Pour résoudre ces deux problèmes et augmenter le rendement des cellules solaires actuelles de 20/25% à 40/60%, plusieurs équipes appartenant à la Direction des sciences de la matière (DSM) et à la Direction de la recherche technologique (DRT) du CEA travaillent à la fabrication de silicium nano s- tructuré. Celui-ci se présente notamment sous forme de particules ou de fils nanométriques de silicium (figure 3) dont la forme et la dimension pourraient permettre de piéger la lumière dans la cellule mais aussi d’augmenter le rendement quantique de l’absorption. Cela s’explique : des effets, décrits par la théorie de la mécanique quantique, permettent d’adapter le spectre d’absorption (ou plus exactement la largeur de bande interdite du semi-conducteur) au spectre solaire, ce qui a pour conséquence d’augmenter fortement la production d’énergie électrique de la cellule car on ajuste, de ce fait, l’énergie 10 nm 1 μm 5 μm X6,00K Figure 3. Nanocristaux réalisés au Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Cimap) sous la tutelle du CEA (en haut, à gauche) ; microfils gravés au Laboratoire d’innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Liten) par voie chimique avec catalyseur (en haut, à droite) ; nanofils cristallins de silicium, réalisés à l’Institut nanosciences et cryogénie (Inac), longs de quelques microns et d’un diamètre moyen de 100 nm fabriqués par croissance chimique en phase vapeur (en bas). CEA CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 79



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