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Arouna Darga est un professeur associé en ingénierie électrique à Sorbonne Université (UPMC) et chercheur à l'IPVF et au GeePs. Ce chercheur expérimenté dans les matériaux semi-conducteurs, leurs caractérisations et leurs modélisations pour le photovoltaïque (PV),les applications optoélectroniques et de stockage a accepté de nous rencontrer. M.DARGA s'est montré disponible pour notre projet et il nous a rapidement accueilli dans son bureau à Polytech (batiment Esclangon, Paris VI). Il a pu répondre à nos questions et nous expliqué les principales possibilités pour fabriquer une cellules photovoltaïque. Les principales choses à savoir sur les matériaux qui composent une cellule photovoltaïque sont les suivantes :
Tout d'abord, un module photovoltaïque est capable de transformer directement de l'énergie portée par la lumière en énergie électrique grâce à l'effet photoélectrique. Le principe de l'effet photoélectrique a été appliqué dès 1839 par Antoine Becquerel et son fils Edmond Becquerel qui ont notés qu'une chaîne d'éléments conducteurs d'électricité donnait naissance à une tension électrique spontanée quand elle était éclairée. M.DARGA nous conseille de lire le livre de Becquerel pour comprendre l'effet photoélectrique et les premières traces de sa mise en évidence. Réf: La Lumière : ses causes et ses effets. T.1 Sources de lumière [Texte imprimé] / par Edmond Becquerel. Cet ouvrage offre de bases solides pour la compréhension physique de l'effet photoélectrique.
D'autre part,la majorité des cellules photovoltaïques utilisent du silicium avec une jonction d'interface entre le Si dopé P et le Si dopé N permettant le transfert de charges. Le silicium de qualité photovoltaïque doit être purifié jusqu'à plus de 99,999 %. Un tel silicium est vendu sous forme de fines plaques d'épaisseur variables (en général 200 micromètres) qui sont appelées wafers. Le wafer est ensuite dopés avec des éléments chimiques (P, As, Sb ou B) pour obtenir du silicium semi-conducteur de type P ou N. Enfin, les wafers sont métallisés : des rubans de métal sont incrustés en surface et reliés à des contacts électriques (la plupart du temps en aluminium). Une fois métallisés les wafers sont devenus des cellules photovoltaïques.
Photo de waffers
Il existe différents types de cellules :
1.Silicium monocristallin
Le procédé de fabrication est précis et coûteux. Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches (wafers) qui donneront les cellules.
- Avantage : un bon rendement (16 à 24 %) - un nombre de fabricants élevé
- Inconvénients : un coût élevé - un rendement plus faible sous un faible éclairement ou un éclairement diffus - baisse du rendement quand la température augmente.
2.Silicium polycristallin
Pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs cristaux. La cellule photovoltaïque est d'aspect bleuté, mais pas uniforme. On distingue des motifs créés par les différents cristaux.
- Avantages : un bon rendement (14 à 18 %; un peu moins bon que le monocristallin) - moins cher à produire que le monocristallin
- Inconvénients : un rendement faible sous un faible éclairement ou soleil diffus.
3.Silicium amorphe (ou couches minces)
Les cellules photovoltaïques en silicium amorphe sont fabriquées par dépôts sous vide, à partir de plusieurs gaz, une des techniques les plus utilisées étant la PECVD ( dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma). On vaporise plusieurs de petites couches de silicum de quelques microns chacune jusqu'à créer une cellule entière. La cellule est gris très foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites « solaires ».
- Avantages :un fonctionnement avec un éclairement faible ou diffus (même par temps couvert, y compris sous éclairage artificiel) - moins chère que les autres techniques - intégrée sur supports souples ou rigides. Dépôt à basse température ( 100 c°-300 c°) sur de grandes surfaces (4m x 4m).
- Inconvénients :un rendement faible en plein soleil (5 à 7%) - nécessité de couvrir des surfaces plus importants que lors de l’utilisation de silicium cristallin - une performances qui diminuent avec le temps dans les premiers temps d'exposition à la lumière naturelle (3-6 mois), pour se stabiliser ensuite (-10 à -20 % selon la structure de la jonction)
4.Couches organiques
Il est également possible de convertir l'énergie solaire en énergie électrique grâce à un procédé proche de la photo-synthèse. Les cellules photovoltaïques organiques sont des cellules photovoltaïques dont au moins la couche active est constituée de molécules organiques. Par exemple, pour la cellule de ce type que nous fabriquons, la couche active est composée de molécules d'un colorant naturel présent dans la framboise.
- Avantages : un rendement à minima de 15 % / un fonctionnement avec un éclairement faible ou diffus (même par temps couvert, y compris sous éclairage artificiel)
- Inconvénients : faible courant délivrée / durée de vie limitée par le temps et l'éclairement
Remarques : Le rendement varie également en fonction de la manière par laquelle sont extraites les charges. Plus la surface de récupération des charges est grande, plus les pertes sont importantes.
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