Etude et dimensionnement d'un système photovoltaà¯que autonome pour une alimentation permanente

I.2.5.Technologie et paramètres des cellules photovoltaïques

A. Technologie des cellules photovoltaïques

Les matériaux qui constituent les cellules photovoltaïques sont classés en deux grandes familles à savoir :

> Les matériaux solides cristallisés ; > Les couches minces.

Les couches minces sont également solides, mais d'épaisseur nettement plus faible et sont déposées sur un support, alors que les cellules cristallines sont massives et épaisses de 0.15 à 0.2 mm.

Comme dit précédemment, le semi-conducteur le plus utilisé est le silicium tétravalent d'où l'étude des cellules au silicium.

Elaboration du silicium métallurgique⁽¹⁾

Pour fabriquer le silicium pur, on va donc employer du sable sous forme de quartz cristallisé. la réduction se fait suite au procédé de raffinage dans un four à arc électrique par du carbone.

La réaction suit l'équation : SiO2 + 2C Si + 2CO

La pureté de ce silicium est de l'ordre de 98 à 99%.

Pour obtenir un matériau suffisamment pur pour fabriquer des composants électroniques, on utilise le procédé siemens qui transforme en trichlorosilane à l'aide d'acide chlorhydrique :

Si + 3HCl SiHCl3 + H2

Cette relation étant réversible, elle servira également à récupérer le silicium après la purification, qui est réalisée par distillation fractionnée du trichlorosilane.

Le silicium obtenu par réduction à l'hydrogène se déposera finalement sur une baguette de silicium chauffée sous forme des petits grains poly cristallins. Ce silicium poly cristallin pur à environ 99,99%, est onéreux car cette étape a un mauvais rendement de matière et nécessite beaucoup d'énergie.

A.1. Cellules au silicium cristallin

Les cellules les plus répandues sont celles au silicium cristallin et se présentent sous forme des plaquettes rondes, carrées ou pseudo carrées.

Le silicium qui constitue le matériau étant un cristal, d'où l'appellation du matériau «cristallin« avec un arrangement parfait des atomes selon une structure atomique ordonnée de type tétravalent.

Si la cellule est constituée d'un seul cristal, on parle de silicium monocristallin et elle a un aspect uniforme et gris bleuté, parfois noir. Si par contre la cellule est composée de plusieurs cristaux assemblés, on dit qu'elle est faite de silicium multi cristallin et présente l'aspect d'une mosaïque compacte de fragments cristallins bleutés de quelques millimètres à quelques centimètres appelés gains.

Cellules au silicium monocristallin

La première consiste à étirer des barreaux cylindriques à partir du silicium fondu dans un creuser et de scier ensuit ces barreaux en wafers(tranches de silicium).

Il s'en suit alors une fabrication de la cellule solaire après avoir constitué les wafers de silicium.

Figure I.4.- Passage du silicium pur à la cellule photovoltaïque mono cristalline.

Les différentes étapes de fabrication de la cellule au silicium monocristallin sont les suivantes :

> Le décapage de la surface pour éliminer les défauts de sciage et ensuite une gravure sélective pour obtenir une surface texturée en petites pyramides, ce qui améliore la collecte de la lumière dans toutes les directions ;

> Une diffusion de phosphore pour réaliser la jonction ;

> Un dopage de l'arrière avec l'aluminium pour bonne collecte de charge ; > Le dépôt d'une couche antireflet sur l'avant ;

> Le dépôt d'une grille de métallisation sur l'avant ;

> Le dépôt d'un métal soudable sur l'arrière;

> Le test et le tri de toutes les cellules fabriquées.

3

n

4

p

p+

5

lumière

2

1

6 Al

7

1.Grille de métallisation avant

2. couche antireflet

3. surface avant dopée n et texturée 3- 4. Jonction et champ électrique

4. substrat p

4-5 champ ?arrière

5. dopage p+

6.Métallisation d'aluminium

7. métallisation soudable

Figure I.5.- Composition d'une cellule au silicium monocristallin

Cellules poly cristallines

C'est dans le soucis d'améliorer le rendement des cellules solaires et d'avoir le moyen de fabriquer un cristal de silicium bon marché de qualité solaire qu'est né le silicium poly cristallin ou multi cristallin. Ce semi-conducteur apparait comme la juxtaposition des petits cristaux mono cristaux d'orientations différentes et de dimensions du millième au centième.

Pour fabriquer ce matériau, on refond tous les déchets provenant du tirage des monocristaux dans une cuve carrée à température et atmosphère contrôlées. Divers procédés thermiques et chimiques sont employés à ce stade pour repousser les principales impuretés à la périphérie du creuset formant une croûte que l'on élimine après durcissement. le bloc ainsi obtenu sera ensuite taillé en barreaux de section carrée (10 x 10 ou 15 x 15) qui seront sciés en wafers.⁽¹⁾

Importance du procédé

L'économie de la surface puisque les wafers sont carrés, le rendement en matière est bon. La recristallisation a également un effet bénéfique sur la pureté locale de matériau.

De nos jours, cette technologie est la plus répandue car bien maitrisée sur le plan industriel et offre un bon rapport qualité- prix.

A.2. Cellules au silicium amorphe

Le silicium utilisé en couche mince est dit «amorphe» où l'organisation des atomes n'est plus régulière comme dans un cristal.

Le silicium amorphe pur est donc un mauvais conducteur car contenant plein de défauts et difficile à doper.

Cependant, lorsque le silicium amorphe est fabriqué à partir du gaz silane (SiH4), il contient une proportion importante d'hydrogène qui va se lier à ses liaisons pendantes puisque le matériau comporte des déformations et les atomes ne sont liés qu'à trois autres atomes au lieu de quatre, ceci permet donc la collecte des charges et le dopage du matériau.