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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80 Des matériaux dédiés aux nouvelles technologies pour l’énergie Plateforme D2M, machine de dépôt ordonné de micro ou nanoparticules opérant sur des substrats de petite ou grande dimension (de quelques cm 2 à quelques centaines de cm 2). CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 des charges électroniques produites à celle des photons incidents. Dans le cas où on ne le ferait pas, la différence d’énergie entre l’énergie des photons incidents et celle des charges produites dans le silicium serait dissipée (donc perdue) sous forme de chaleur. Pour diminuer les coûts de matière, les industriels et les laboratoires de recherche proposent des cellules photovoltaïques en couches minces. Ces couches de matériau actif sont déposées sur des substrats bon marché comme le verre à vitre ou des feuilles d’acier, mais aussi sur d’autres substrats plus innovants comme les polymères, le papier, les tissus... Avec des épaisseurs de matériaux d’à peine quelques microns, il devient désormais possible de diminuer la quantité de matière utilisée d’un facteur 100. Cela implique de veiller à ne pas trop réduire la quantité d’énergie électrique produite, car une faible épaisseur Les nanotubes de carbones sont disposés en tapis superposés, permettant de nombreuses applications, de l’industrie (écrans plats, membranes PAC) à la Défense.C. Dupont/CEA signifie aussi une faible absorption de la lumière solaire. Ce type de cellules de grande surface émerge actuellement sur le marché – on parle de cellules de seconde génération. Leur arrivée risque de faire perdre sa position dominante au silicium dont le cœfficient d’absorption le rend mal adapté à cette géométrie. En effet, sous la forme de couches minces déposées sur du verre, celui-ci se présente le plus souvent comme un matériau amorphe, dont les performances en termes de conductivité électrique s’avèrent également en net retrait. Pour cristalliser des couches minces de silicium et rétablir des propriétés plus intéressantes, il faudra donc mettre en œuvre des procédés à haute température, compatibles avec des spécifications contraignantes en taille de grain et en pureté. Mais cela ne résoudra pas la question de l’interaction avec le substrat en raison de la diffusion de défauts et d’éléments indésirables, depuis le verre, en direction de la couche de matériaux photovoltaïques. Dans le domaine des couches minces, il existe aujourd’hui une technique permettant d’améliorer la collecte des charges générées dans le matériau photovoltaïque. Elle consiste à opérer des dépôts supplémentaires à base d’oxydes transparents conducteurs tels que l’oxyde d’étain et son alliage avec l’oxyde d’indium (ITO – pour Indium Tin Oxyde) ou encore l’oxyde de zinc (ZnO). Actuellement, de nouveaux candidats (par exemple, les nanotubes de carbone et le graphène) sont en cours d’évaluation dans les laboratoires. Ces couches supplémentaires s’avèrent particulièrement efficaces pour augmenter les rendements de conversion dans nombre de structures photovoltaïques : les hétérojonctions à base de silicium amorphe et de silicium cristallin ainsi que les cellules organiques. D’autres matériaux commencent à percer sur le marché avec des coûts très prometteurs, par exemple le tellurure de cadmium (CdTe), un matériau semiconducteur composé, de la famille II-VI. Le matériau P.Avavian/CEA
intrinsèque, en association avec le sulfure de cadmium (CdS), présente déjà un rendement de conversion photovoltaïque supérieur à 10% en module. Malgré la difficulté d’approvisionnement en tellure (Te) et les risques liés à la manipulation du cadmium (Cd), des modules arrivent aujourd’hui sur le marché. La technologie de dépôt de la structure étant très simple (un procédé continu sur plaques de verre de grande surface), les industriels promettent, à très courte échéance, un coût de production de l’énergie en dessous du seuil symbolique de 1 euro par watt. De nombreuses « jeunes pousses » se développent aujourd’hui pour proposer un matériau nouveau, le CIGS (pour cuivre, indium, gallium et sélénium). Il s’agit d’un composé à base de cuivre, d’indium et de sélénium (chalcogénure de cuivre) auquel s’ajouterait du gallium pour obtenir une réponse plus élevée au spectre solaire. Néanmoins, maîtriser un alliage quaternaire reste toujours difficile. Aussi, certains industriels développent-ils des procédés variés par voie physique (évaporation) ou chimique (électrodépôt ou impression avec une encre contenant des nanoparticules). La composition du CIGS, notamment le rapport indium/gallium, ayant un effet direct sur le gap du semi-conducteur, ceci permet d’adapter l’absorption du matériau au spectre solaire et d’envisager des architectures de cellules complexes, mettant en jeu des couches de différentes compositions pour atteindre des rendements de conversion très élevés (au-delà de 20%). En dehors des aspects liés au coût de production, les couches minces photovoltaïques présentent d’autres avantages pour les utilisateurs. D’abord, le substrat peut être flexible et la forme de la cellule quelconque, ce qui facilite son intégration à toutes sortes de systèmes et de dispositifs. Ensuite, concevoir des modules photovoltaïques avec des caractéristiques électriques variées pour s’adapter à différentes applications ne présente aucune difficulté majeure. Des alliages semi-conducteurs pour l’espace La conversion photovoltaïque offre également une source d’énergie essentielle à de nombreux satellites et objets spatiaux. Dans le champ de l’astrophysique, les matériaux semi-conducteurs de famille III et V ont été adoptés par tous les spécialistes. Les cellules qu’ils utilisent sont réalisées à partir de couches cristallines épitaxiées, déposées les unes sur les autres par des méthodes sous vide, de type jet moléculaire ou dépôt en phase vapeur à base de précurseurs métalliques. La juxtaposition de plusieurs dizaines de couches aboutit à des dispositifs très performants formés de plusieurs cellules élémentaires empilées les unes sur les autres. Désormais, il devient donc possible de concevoir des empilements en accord de maille, c’est-à-dire où tous les matériaux cristallins déposés ont la même dimension de maille, et cela avec toute une gamme de gap, et donc de maximiser la conversion photovoltaïque sur tout le spectre solaire. Un résultat rendu possible grâce à la grande variété de composition : une base d’arséniure de gallium (AsGa) avec du phosphure d’indium (InP) ou du germanium (Ge). Certains instituts comme le Fraunhofer en Allemagne ou Boeing aux États-Unis dépassent les 40% de rendement. Compte tenu du coût très élevé de ces structures, leur exploitation reste circonscrite au domaine spatial ou à celui de la production d’énergie centralisée. Dans ce cas, les cellules sont découpées en tout petits composants (centimètre ou millimètre) et placées au foyer des grands systèmes optiques concentrant la lumière solaire sur les cellules. De telles installations appellent un support mécanique mobile capable de suivre le Soleil dans sa course journalière. Matériaux organiques et hybrides La conversion photovoltaïque à partir de matériaux organiques appartient à un domaine de recherche relativement récent. Les avancées scientifiques majeures n’eurent lieu qu’au début des années 1990, parmi lesquelles la réalisation des premières cellules sensibilisées par des colorants organiques présentant des rendements élevés, ou encore la découverte du transfert de charge photo-induit entre un polymère picon jugué et un dérivé fullerène. Ces découvertes initieront une nouvelle filière de production d’énergie. Les matériaux organiques présentent plusieurs avantages : leurs propriétés optiques et électroniques sont facilement modulables et leur préparation s’avère peu coûteuse du point de vue énergétique. De plus, leur mise en œuvre reste aisée : ils peuvent notamment se déposer par techniques d’impression ou sur des substrats plastiques, très légers et flexibles. Enfin, l’épaisseur de leur couche active étant généralement très faible (de l’ordre de la centaine de nanomètres), ces matériaux peuvent imprégner de larges surfaces en n’utilisant que très peu de matière. En revanche, les performances de ces matériaux sont limitées par des mobilités de charges plus faibles que dans les matériaux semi-conducteurs inorganiques et une stabilité inférieure. Sérigraphie des contacts métalliques d’une cellule photovoltaïque en silicium. P.Dumas/CEA CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 81



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