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2ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
Par Pr. Mongi BOUAICHA
Laboratoire de PhotovoltaïqueCentre de Recherches et des Technologies de l’Energie, Technopôle de Borj-Cédria,
Tunis, Tunisie
Les matériaux de base de fabrication des cellules photovoltaïques, les nouveaux matériaux dans la conception et l’élaboration des
cellules solaires : matériaux organiques, polymères, semi-conducteurs, les cellules et modules photovoltaïques de demain
1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100
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6
7
8
Population mondiale
Charbon
Pétrole
Gaz
Energie nucléaire
Energie renouvelable
Année
Présent
Population mondiale
(milliards)
Dépenses énergétiques
(GT/an)
Dépenses énergétiques et évolution de la consommation mondiales entre l’an 1750 et l’an 2100. 2
Impact du photovoltaïque sur l’économie d’un pays
Industrie photovoltaïque
Industrie du silicium
Industrie du verre
Industrie du câble
Industrie du plexiglas
Industrie métallurgique
Industrie électronique
Industrie machines complexes
Employabilité très élevée Maîtrise du savoir-faire Apport important au PIB/PNB
3
En général, un bon matériau pour la conversion photovoltaïque devrait satisfaire aux exigences suivantes :
• Avoir un gap direct entre 1.2 et 1.7 eV ;• Disponible ;• Non toxique ;• Etre plus ou moins facile à fabriquer et reproductible ;• Avoir un bon rendement de conversion photovoltaïque ; et• Avoir une durée de vie importante.
Malheureusement, un matériau qui satisfait à la fois à toutes ses exigences n’existe pas encore. Les recherches continuent et les différents scénarios les plus probables sont :
• La dominance du silicium mono/poly/multi-cristallin ; • l’émergence des technologies à base de silicium cristallin de moyenne épaisseur (quelques dizaines de µm) ; • la percée des technologies au silicium amorphe (a-Si), des CIS (Copper-Indium-diSelenide) ou des cellules CdTe, ou encore des DSSC (Cellule Solaire à Colorant ‘’Dey Sensitized Solar Cell’’) ; • de nouveaux concepts de cellules comme les cellules organiques et les cellules tandem, etc.
42ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
Les trois générations des cellules solaires
Première génération (1G)Silicium massif mono, multi et polycristallin,
52ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
Echelle du laboratoire partout dans le monde
Le Centre de Recherches et des Technologies de l’Energie (CRTEn)
Technopôle de Borj-Cédria, Tunis, Tunisie
2ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
Savoir-faire dans le domaine des cellules solaires 1G et 2G Nous avons commencé des travaux sur les cellules 3G
Au 31/12/2012, l’effectif du CRTEn se compose de plus de 300 personnes réparties comme suit :
• 09 Professeurs• 02 Maîtres de Conférences
• 25 Maîtres Assistants • 03 Assistants
• 36 Ingénieurs• 52 Techniciens
• 25 Administratifs • 150 étudiants en Doctorat et Mastère
Actuellement, cet effectif est appelé à exécuter 25 projets de recherche dans le cadre du contrat-programme 2010-2013.
Effectif du Centre de Recherches et des Technologies de l’Energie (CRTEn)
2ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
1-Conversion thermique de l’énergie solaire
2-Conversion photovoltaïque de l’énergie solaire
3-Efficacité énergétique dans l’industrie et dans le bâtiment
4-Valorisation énergétique des déchets
5-Energie éolienne
Les programmes de recherche
2ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
Ces travaux sont exécutés par trois laboratoires
Laboratoire de Photovoltaïque (LPV)
Laboratoire Thermique (LPT)
Laboratoire de Maîtrise de l’Energie Eolienne et de la Valorization Energétique des Déchets (LMEEVED)
2ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
Laboratoire de Photovoltaïque
102ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
Première Génération
112ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
Lingot
SiO2
Silicum
Plaquette
Cellule
Module
Système
Savoir-faire Du LPV
2010
La chaine de fabrication des cellules et des panneaux PV
au silicium cristallin
2ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
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Historique de la fabrication des cellules solaires au silcium cristallin dans le LPV
• Cellules standards au silicium monocristallin• En 1990 le rendement max était de 11%• En 1993 le rendement moyen était de 12.5% avec un max de rendement de 14.3%.
• En 1995 fabrication de cellules solaires à faible coût avec un rendement amélioré à 12.5%.
• En 1999 introduction du Silicium Poreux, de la passivation et du gettering dans la technologie des cellules solaires au silicium
• En 2000, fabrication de 60 panneaux photovoltaïque (Projet ALECSO).
• En 2002, étude de la faisabilité d’une industrie photovoltaïque tunisienne. (Marché tunisien petit, il faut viser un marché plus grand).
• En 2011, application des nanofils de silicium.
Four à diffusion
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Machine à sérigraphieFour IR à atmosphère
contrôlée
2ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
Machine (Pasan CT 801) pour caractérisation I-V sous
éclairement des cellules solaires
Quelques équipements pour la fabrication et la caractérisation des cellules solaires
Silicium Poreux (SP) sur silicium cristallin 1999-2000
15
400 500 600 700 800 900 1000 11000
10
20
30
40
50
(a)
After PS application
To
tal
refl
ecti
vit
y (
%)
Wavelength (nm)
(b)
Before PS application
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,60
5
10
15
20
25
J
(mA
/cm
2)
V (Volts)
Before PS
After PS
Effet d’une couche de SP sur la réflectivité
Effet d’une couche de SP sur la caractéristique I-V sous AM1.5
400 600 800 10000
10
20
30
40
(b)
(a)
Tot
al r
efle
ctiv
ity
(%)
Wavelength (nm)
Image par MEB montrant des textures pyramidales réalisées sur une surface
de silicium monocristallin d’orientation (100).
Effet du SP sur du Si texturisé
SP sur Si-monocristallin texturisé
Réflectivité totale
0 500 1000 15000
500
1000
1500
0,5980
0,6435
0,6891
0,7346
0,7802
0,8257
0,8712
0,9168
0,9623
1,000
A0 500 1000 1500
0
500
1000
1500
0,7940
0,8173
0,8407
0,8640
0,8873
0,9107
0,9340
0,9574
0,9807
1,000
Gettering du Si-mc par le SP : Analyse par LBIC-2D (2004)
2D-LBIC arround a grain boundary before gettering
2D-LBIC arround a grain boundary after gettering
LB
IC c
urr
en
t
LB
IC c
urr
en
t
2ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
Gettering du Si-mc par le SP : Analyse par IQE-2D
200 400 600 800 1000
200
400
600
800
1000
X µm
Y µ
m
0,4400
0,4538
0,4676
0,4814
0,4953
0,5091
0,5229
0,5367
0,5505
IQE
200 400 600 800 1000
200
400
600
800
1000
X µm
Y µ
m
0,4950
0,5269
0,5587
0,5906
0,6225
0,6544
0,6862
0,7181
0,7500
IQE
2D-IQE arround a grain boundary before gettering
2D-IQE arround a grain boundary after gettering
Passivation par Al2O3 (Pulsed Lased Deposition) sur SP (2012)
19
Image par AFM de la couche de SP
Image par AFM de la couche de Al2O3 (5 nm)
300 400 500 600 700 800 900 1000 11005
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
PS
Al2O
3/PS
Tota
l refl
ecta
nce
(%)
wavelength (nm)
Bare c-Si
Réflectivité totale
0 nm 5 nm 20 nm 80 nm
2
3
4
5
6
7
Lifetim
e (µs)
Al2O
3 thickness
Variation de la durée de vie des PMs en fonction de l’épaisseur de la couche de Al2O3
250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 25000
20
40
60
80
100
120
140
Refl
ectiv
ity (%
)
Wave Length (nm)
0min 20min 25min 30min
0 10 20 30 40 50 600,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
Lifet
ime
(µs)
Res
istivi
ty (
cm)
Etching time (min)
Resistivity
Lifetime
Il faut optimiser les paramètres de fabrication des nanofils de silicium, pour un meilleur compromis entre les propriétés électriques et optiques.
Les nanofils de silicium pour le photovoltaïque
(2011)
0,015 0,016 0,017 0,018 0,019 0,0200
5
10
63,0
63,1
63,2
63,3
63,4
63,5
0
5
10
63,0
63,1
63,2
63,3
63,4
63,5
Mea
n R
eflec
tivi
ty (%
)
M
ean E
ffec
tive
Lifet
ime
(µs)
AgNO3 (M)
20 min R 20 min 25 min R 25 min 30 min R 30 min
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Purification du SiO2 (2010)
XR micro analysis of SiO2 before purification
2ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
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XR micro analysis of SiO2 after purification
Purification du SiO2
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Deuxième Génération
242ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
252ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
26Machine pour la fabrication du silicium amorphe au laboratoire de photovoltaïque
Cellule au silicium amorphe
Le dioxyde de titane est déposée sur une partie des substrats de FTO ou de ITO par la
technique électrophorèse (EPD).
Cette technique est basée sur l’application d’une forte tension continue aux borne des
deux électrodes.
TiO2 en suspension
-
FTOAl
+
Schéma de principe de la technique EPD.
Les conditions de l’expérience : la tension appliquée
est de 90 V, la distance entre les électrodes est
maintenue à 1cm et le temps de déposition est de 30
secondes.
Cellule solaire à colorant
2ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 25000
20
40
60
80
100
T,R
(%
)
Wavelenght (nm)
R T
DRX des couches minces de TiO2
Spectre de transmission de la couche mince de TiO2
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8
0,0
5,0x10-11
1,0x10-10
1,5x10-10
2,0x10-10
2,5x10-10Glass/ITO/Al/electrolyte/N3/TiO
2/ITO/glass
I (A
)U (V)
Caractéristique I-V des CSC
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10 20 30 40 50 60 700
300
600
900
1200
1500
b
211004
101
204105
200
211
004
101
In
tens
ity
(a.u
.)
Bragg angle 2 (°)
TiO2 powder
TiO2 thin film
Troisième Génération
292ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
Origines des pertes en rendement de conversion PVdans les cellules 1G & 2G
Energie du photon = Energie du gap
Transparence pour les photons d’énergie inférieure au gap.
Les électrons excités par des photons de haute énergie se retrouvent dans les niveaux énergétiques de la bande de conduction, mais, une partie de l’ énergie est perdue par thermalisation.
BC
Eg
BV
2
3
3
2
1
1
Pertes par thermalisation
Pertes par transparence
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1. Cellules solaires à bande intermédiaire
2. Cellules solaires à gap graduel3. Cellules solaires à conversion de
spectre4. Cellules solaires à porteurs chauds5. Cellules solaires à multi-spectre
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A partir de cette problématique l’idée d’une nouvelle génération de cellules solaires est
née: les CS-3G
2ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
Cellule solaire à porteurs chauds
SiO2
Jonction N+P
Si-mc
SiO2
a-Si :H
Si-mc
NC-Si
Substrat de Si avec 5 nm de SiO2 ; (SiH4, O2) PECVD.
Dépôt d’une couche de a-Si : H ; (SiH4, H2) PECVD
Recuit de a-Si : H à 820°C pendent 15 mn ; formation de NC-Si.
Dépôt d’une deuxième couche de SiO2 dans les mêmes conditions que la première couche.
SiO2
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2ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
Technique d’élaboration : PECVD
RF = 13.56 MhzL’épaisseur de la couche SiO2 est égale à 5 nmLe débit de O2 = 5 sccmLe débit de SiH4 = 20 sccmLe temps de dépôt: 5 minutes (1nm/mn)Température de substrat= 400°C
RF = 13.56 MhzL’épaisseur de la couche a-Si:H est égale à 6 nmLe débit de H2 = 50 sccmLe débit de SiH4 = 4 sccmLe temps de dépôt: 5 minutes (1nm/mn)Température de substrat= 300°C
Evolution de la morphologie de surface et des caractéristiques I-V à l’obscurité et sous éclairement AM1.5 de la cellule de référence et celle contenant
des NCs-Si
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
I (A
)
V (Volt)
à l'obscurité
sous éclairement
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
I (A
)
V (Volt)
Sous éclairement
A l'obscurité
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Si-mc après la jonction Première couche SiO2 Couche amorphe après recuit
Merci pour votre attention
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