Cellules solaires en couche mince

Définition des cellules solaires en couches minces

Les cellules solaires en couches minces sont réalisées en déposant sur un substrat une ou plusieurs fines couches de matériaux semi-conducteurs.

Les panneaux solaires ‘couches minces’ sont composés de cellules solaires mesurant entre 0,5 et 3 microns d’épaisseur – soit 30 à 40 fois plus minces que des cellules ‘traditionnelles’.

Cette technologie se distingue par une épaisseur réduite, une flexibilité accrue et un coût de production moindre. Elle se décline en plusieurs types dont les plus courants sont les cellules à base de silicium amorphe, de tellurure de cadmium (CdTe) ou de Cu(In,Ga)Se2, plus connu sous l’acronyme CIGS. Ces matériaux, dotés de propriétés optoélectroniques spécifiques, sont choisis pour leur capacité à convertir efficacement l’énergie lumineuse en électricité. Le choix de l’un ou l’autre dépend de divers facteurs tels que le rendement visé, les conditions d’éclairage ou encore les contraintes de fabrication.

 En bref

• Absorption de la lumière : Les cellules solaires en couches minces sont constituées de plusieurs couches de matériaux semi-conducteurs. Chaque couche est choisie pour ses propriétés d’absorption de la lumière. Les matériaux couramment utilisés incluent le silicium amorphe (a-Si), le tellurure de cadmium (CdTe), et le Cu(In,Ga)Se2 (CIGS).

  
  

• Génération de charges électriques : Lorsque la lumière du soleil frappe la cellule solaire, les photons sont absorbés par les couches semi-conductrices. Cette absorption génère des paires d’électrons et de trous (charge positive), libérant ainsi des charges électriques.

  
  

• Collecte des charges : Les électrons générés sont collectés par une grille métallique située à la surface de la cellule solaire. Cette grille permet aux électrons de circuler et crée un courant électrique.

  
  

• Conversion en courant électrique : Une fois collectés, les électrons sont canalisés à travers des contacts électriques à l’avant et à l’arrière de la cellule. Ce flux d’électrons crée un courant continu (CC), qui peut être ensuite converti en courant alternatif (CA) via un onduleur pour être utilisé dans les systèmes électriques.

  
  

• Structure des cellules solaires en couches minces : Typiquement, ces cellules sont construites sur un substrat comme le verre, le plastique ou le métal. Elles comprennent plusieurs couches fonctionnelles : la couche active qui absorbe la lumière, les couches de transport de charge pour guider les électrons, et les contacts métalliques pour collecter le courant électrique.

Comment fonctionne les cellules solaires en couche mince ?

Le fonctionnement des cellules solaires en couches minces repose sur le même principe que les cellules solaires traditionnelles, à savoir l’effet photovoltaïque. Lorsqu’elles sont exposées à la lumière, les couches minces de matériaux semi-conducteurs absorbent les photons et génèrent des électrons. Ces électrons sont ensuite collectés par une grille métallique et convertis en courant électrique.

Cependant, les cellules en couches minces présentent une particularité : leur structure. En effet, elles sont constituées de plusieurs couches superposées, chacune ayant une fonction spécifique. La couche active, qui est généralement du silicium amorphe, du CdTe ou du CIGS, absorbe la lumière et génère des charges électriques. Les couches de transport de charge, situées de part et d’autre de la couche active, assurent la circulation des électrons vers les contacts électriques.

C’est ce processus, allié à la finesse et à la flexibilité des couches, qui permet d’obtenir une conversion efficace de la lumière en électricité, même dans des conditions de faible éclairage.

La conversion de la lumière en énergie

La conversion de la lumière en énergie dans les cellules solaires en couche mince se produit lorsque ces dernières sont exposées à la lumière. Les matériaux semi-conducteurs qu’elles contiennent absorbent les photons et produisent des électrons. Ces particules sont ensuite collectées et converties en électricité.

Deux aspects sont essentiels dans ce processus:

• La réflexion interne totale, qui peut être facilitée par des surfaces rugueuses, permettant ainsi un piégeage efficace de la lumière.
• La couche avant de contact, qui sert de connexion électrique pour le côté positif de la cellule solaire.

Ces cellules sont capables de générer de l’énergie même dans des conditions de faible éclairage, comme tôt le matin, en fin d’après-midi ou lors de jours nuageux et pluvieux. Elles sont donc plus efficaces que les cellules solaires conventionnelles dans la conversion de la lumière diffuse et indirecte en énergie.

Le rôle des matériaux semi-conducteurs

Les matériaux semi-conducteurs jouent un rôle clé dans la performance des cellules solaires en couches minces. Arséniure de gallium (GaAs), tellurure de cadmium (CdTe) et Cu(In,Ga)Se2, dit CIGS, sont des exemples de matériaux semi-conducteurs largement utilisés.

Chaque matériau dispose de ses propres propriétés qui influencent l’efficacité de conversion de l’énergie solaire en électricité. Le GaAs, par exemple, se distingue par ses propriétés exceptionnelles de conversion d’énergie, tandis que le CdTe est apprécié pour son excellent coefficient d’absorption de la lumière et son coût de production relativement faible.

Les semi-conducteurs quaternaires tels que Cu2ZnSnS4 (CZTS) sont également explorés pour la fabrication des cellules solaires en couches minces. Ces matériaux présentent l’avantage d’être plus abondants et moins coûteux, tout en offrant un rendement intéressant.

La structure d’un module en couche mince

La structure d’une cellule solaire en couche mince se compose généralement de plusieurs éléments clés. D’abord, le substrat, souvent en verre, plastique ou métal, sert de support. Il est suivi par la barrière d’isolation qui prévient les courts-circuits. Puis, on trouve les contacts arrière et avant qui permettent l’écoulement des électrons. Les couches semi-conductrices absorbent la lumière et génèrent des charges électriques, et finalement, le revêtement antireflet optimise l’absorption de la lumière. Chacune de ces couches joue un rôle crucial dans la capacité de la cellule à convertir la lumière en électricité.

Qu’est ce que sont les cellules solaires amorphes ?

Les cellules solaires amorphes sont un type spécifique de cellules solaires en couches minces qui utilisent du silicium amorphe (a-Si). Le silicium amorphe, contrairement à sa forme cristalline, possède une structure atomique désordonnée qui absorbe plus efficacement la lumière.

Pour fabriquer ces cellules, une fine couche de silicium est vaporisée sur des matériaux amorphes comme du verre, de l’acier ou du plastique. Cette technique nécessite très peu de silicium et ne requiert pas de purification après l’étape de vaporisation.

Le principal avantage des cellules solaires amorphes réside dans leur flexibilité et leur capacité à fonctionner même dans des conditions d’éclairage faible ou diffus. Elles sont donc particulièrement adaptées pour des applications nécessitant une certaine souplesse, comme les panneaux solaires souples ou les panneaux solaires intégrés au bâti.

Ces cellules ont également un potentiel de rendement de conversion stabilisé avoisinant 10%. C’est un aspect particulièrement important pour l’efficacité globale d’un panneau solaire. Toutefois, il convient de noter que le rendement des cellules solaires amorphes peut diminuer avec le temps, un phénomène connu sous le nom de dégradation induite par la lumière (ou effet Staebler-Wronski).

Les cellules solaires organiques : c’est quoi ?

Les cellules solaires organiques, aussi appelées cellules photovoltaïques organiques (OPV), représentent une autre catégorie de cellules solaires en couches minces. Elles se distinguent par leur utilisation de matériaux organiques, généralement des polymères ou des molécules de petite taille, pour absorber la lumière et produire des charges électriques.

• Caractérisées par leur légèreté et leur flexibilité, ces cellules présentent l’avantage d’être facilement intégrables dans divers types de supports, tels que les textiles ou les matériaux de construction.
• Elles offrent également une transparence partielle qui peut être exploitée dans des applications architecturales, par exemple pour réaliser des fenêtres ou des façades photovoltaïques.
• Les cellules solaires organiques peuvent être fabriquées à l’aide de procédés de production à basse température et à faible coût, comme l’impression en rouleau.

Néanmoins, le rendement des cellules solaires organiques est pour l’instant inférieur à celui des technologies à base de silicium ou de CIGS. Des efforts sont donc en cours pour améliorer leur efficacité et leur stabilité.

Les cellules solaires photovoltaïques : définition

Les cellules solaires photovoltaïques sont une catégorie spécifique de modules solaires à couches minces. Elles emploient des semi-conducteurs comme le silicium cristallin dopé. Les cellules photovoltaïques à homojonction, constituées de deux couches de silicium cristallin, sont un exemple notable. Dopées différemment, ces deux couches, la première dopée en phosphore, plus riche en électrons que le silicium, et la seconde en bore, un élément moins riche, créent une jonction et facilitent la conversion de l’énergie solaire en électricité. Les cellules photovoltaïques en couche mince telles que le tellurure de cadmium (CdTe), le diséléniure de cuivre-indium-gallium (CIGS) et le silicium amorphe (a-Si) sont également utilisées. Elles sont fabriquées en déposant une mince couche de matériau sur un support, comme le verre ou le plastique.

Panneaux solaires amorphes

Les panneaux solaires amorphes utilisent le silicium amorphe (a-Si), une forme de silicium à la structure atomique désordonnée qui permet une meilleure absorption de la lumière. Cette particularité rend ces panneaux particulièrement efficaces dans les conditions de faible éclairage.

Leur fabrication se fait en déposant une fine couche de silicium sur différents substrats, comme le verre ou le plastique. Cette technique, économique en matière première, donne naissance à des panneaux légers et flexibles, pouvant être déployés sur une variété de supports.

La flexibilité des panneaux solaires amorphes ouvre la voie à de nombreuses applications, notamment les panneaux solaires souples ou intégrés au bâti. Malgré une dégradation progressive de leur rendement avec le temps, ces panneaux conservent un rendement de conversion stabilisé autour de 10%.

Panneaux photovoltaïques

Les panneaux photovoltaïques à couches minces intègrent les cellules solaires en couche mince dans une structure plus large, assurant ainsi une production d’électricité à plus grande échelle. Ces panneaux se distinguent par leur légèreté, leur flexibilité, et leur capacité à s’adapter à des environnements variés.

• Les panneaux à base de cellules amorphes sont appréciés pour leur légèreté et leur flexibilité. Ils sont particulièrement adaptés aux applications nécessitant une certaine souplesse, comme les toits courbés ou les surfaces irrégulières.

  
  

• Les panneaux à base de cellules organiques se distinguent par leur potentiel d’intégration dans des objets du quotidien, grâce à leur capacité à être imprimés sur diverses surfaces.

  
  

• Les panneaux à base de cellules photovoltaïques traditionnelles, comme le CdTe, le CIGS ou le a-Si, sont largement utilisés pour la production à grande échelle d’électricité.

Les panneaux photovoltaïques à couches minces permettent de tirer pleinement parti des avantages des cellules en couches minces, notamment leur performance en condition de faible éclairage et leur capacité à être intégrées sur une grande variété de supports.

Les cellules solaires en couches minces présentent des caractéristiques distinctes quand comparées à d’autres technologies photovoltaïques. Notamment, elles se différencient des technologies à base de silicium cristallin par leur structure et leur processus de fabrication. Les technologies IBC, PERC et TOPCon représentent des alternatives notables avec des avancées significatives en termes d’efficacité, de durabilité et de performance globale. De plus, les cellules solaires à couches minces comprennent des technologies variées comme GaAs, Ge, CdTe, CIGS et CIS, chacune ayant ses propres propriétés et applications.

Quelles différences entre le Silicium cristallin et les couches minces?

Les cellules en silicium cristallin et les cellules à couches minces présentent des différences significatives. Le silicium cristallin offre une meilleure mobilité électronique, ce qui se traduit par une efficacité plus élevée. Cependant, les cellules en couches minces, comme celles à base de silicium amorphe, CdTe ou CIGS, offrent une plus grande flexibilité d’application.

• Le silicium cristallin peut être monocristallin ou multicristallin. Ces cellules sont largement utilisées en raison de leur rendement élevé en comparaison avec d’autres technologies. Elles nécessitent plus de matériaux et sont donc plus coûteuses à produire.

  
  

• Les couches minces utilisent moins de matériau, ce qui réduit les coûts de production. Elles peuvent aussi être fabriquées sur des substrats flexibles, ce qui ouvre la porte à de nouvelles applications. Par contre, leur efficacité est généralement inférieure à celle des cellules en silicium cristallin.

Les couches minces versus autres technologies photovoltaïques

Les technologies photovoltaïques à couches minces se distinguent de leurs concurrentes par plusieurs aspects. Leur souplesse et leur légèreté, grâce à l’utilisation de substrats flexibles, les rendent plus faciles à intégrer dans diverses structures. Par ailleurs, elles utilisent moins de matières premières, ce qui permet de réduire les coûts de production.

Ces avantages leur ont permis de se développer sur certains marchés spécifiques. Par exemple, la technologie CdTe est aujourd’hui leader dans l’industrie photovoltaïque à couches minces, offrant des rendements allant jusqu’à 12,6%. De même, la technologie CIGS est de plus en plus populaire et se compare à la technologie PERC, détentrice de la plus grande part de marché.

En comparaison, les technologies à base de silicium cristallin, comme le multicristallin et le monocristallin, sont plus utilisées en raison de leur rendement supérieur. Cependant, elles sont aussi plus coûteuses à produire.

Il est donc crucial de considérer les spécificités de chaque technologie photovoltaïque pour faire le choix le plus adapté à sa situation. Dans le secteur résidentiel, ce sont aujourd’hui les technologies à base de silicium cristallin qui sont installées.

Les cellules solaires en couches minces présentent un certain nombre de limites qui peuvent entraver leur utilisation à grande échelle.

• Tout d’abord, leur efficacité de conversion est généralement inférieure à celle des cellules en silicium cristallin. En effet, bien que certaines technologies atteignent des rendements respectables, ces performances restent en deçà de celles obtenues avec les technologies de première génération.

  
  

• D’autre part, les matériaux utilisés dans certaines cellules à couches minces peuvent poser des problèmes environnementaux. Par exemple, les cellules au CdTe utilisent du cadmium, un élément très toxique.

  
  

• Enfin, la durabilité des cellules à couches minces peut être un problème. Certaines technologies, comme le silicium amorphe, présentent une dégradation de leur rendement avec le temps.

  
  

• Il existe également des contraintes liées aux procédés de fabrication, qui peuvent limiter la compatibilité de ces cellules avec certaines innovations, comme les panneaux bifaciaux ou la technologie Tiling Ribbon.

  
  

L’évolution technologique des cellules solaires en couches minces a été marquée par des avancées significatives ces dernières années. Elles ont notamment bénéficié d’améliorations en termes de rendement, atteignant jusqu’à 25% en laboratoire pour certains types de cellules comme les cellules à base de Cu(In,Ga)Se2. Les chercheurs ont également développé des cellules bifaciales à couches minces qui peuvent capter l’énergie solaire sur leur face avant et arrière, augmentant ainsi leur potentiel de production d’électricité.

Par ailleurs, l’innovation s’est aussi traduite par l’émergence de nouvelles technologies. On note par exemple l’apparition de la filière pérovskite qui, en association avec les cellules classiques, pourrait créer une nouvelle rupture technologique. Enfin, l’évolution technologique a aussi permis de faire face à certaines limites de ces cellules, comme la dégradation de leur rendement dans le temps. Des solutions sont en cours de développement pour améliorer leur stabilité et donc leur efficacité à long terme.

Tendances actuelles et futures dans le domaine des couches minces

Les tendances actuelles dans le domaine des cellules solaires en couches minces indiquent une croissance constante du marché, avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 20,4 % prévu entre 2023 et 2030. Les chercheurs se concentrent sur l’amélioration de l’efficacité énergétique, avec des résultats atteignant déjà 25 % pour certaines cellules.

Parmi les technologies prometteuses, on note une attention particulière accordée aux cellules solaires bifaciales à couches minces à base de diséléniure de cuivre, d’indium et de gallium (CIGS) qui peuvent capter l’énergie solaire sur leur face avant et arrière.

Concernant les tendances futures, l’innovation semble se diriger vers le développement de nouvelles technologies, notamment les cellules tandem à base de pérovskite. Ces cellules présentent un potentiel élevé pour le futur, notamment grâce à leur stabilité prometteuse.

Innovations récentes en matière de cellules solaires en couches minces

Plusieurs innovations récentes ont permis d’améliorer significativement le rendement des cellules solaires en couches minces.

• Un des exemples marquants est l’atteinte d’un rendement de 25% par une équipe de chercheurs belges, une première mondiale pour cette technologie.
• La mise au point de cellules bifaciales à couches minces à base de Cu(In,Ga)Se2 capables de capter l’énergie solaire sur leur face avant et arrière pour une production d’électricité accrue.
• Une avancée notable est aussi l’augmentation du rendement des cellules organiques à 19,31% par des chercheurs chinois.
• Les cellules solaires tandem, une innovation qui combine différentes technologies de couches minces, offrent également des rendements plus élevés.
• D’autre part, une équipe de IBM a réalisé une avancée significative en établissant un nouveau record de rendement pour des cellules photovoltaïques en couche mince, boostant ainsi l’intérêt pour cette technologie.

Ces avancées technologiques sont le fruit de recherches continues et de l’investissement de nombreux instituts et entreprises dans le développement de cette technologie prometteuse.

Utilisation dans les panneaux solaires

Les cellules solaires en couche mince trouvent leur application principale dans la fabrication de panneaux solaires. En effet, leur légèreté et leur flexibilité en font un choix idéal pour les panneaux solaires de nouvelle génération. Les matériaux semi-conducteurs utilisés, comme le GaAs, Ge, CdTe, CIGS et CIS, permettent de créer des panneaux solaires aux propriétés variées.

• Les panneaux solaires à base de CdTe ont une efficacité de conversion du rayonnement solaire en électricité qui peut atteindre 12%.
• Les panneaux solaires CIGS sont une technologie en croissance rapide, réputée pour leur flexibilité et leur légèreté.
• Les panneaux solaires amorphes, composés de silicium amorphe, sont très légers, minces et même pliables.

En outre, la technologie des couches minces est également utilisée dans la fabrication de panneaux solaires flexibles et légers, ce qui augmente les possibilités d’installation sur divers supports.

En raison de leur flexibilité et de leur capacité à être intégrées dans des matériaux de construction tels que le verre ou le plastique, les cellules solaires en couches minces peuvent être utilisées pour créer des surfaces de construction fonctionnelles et esthétiques qui génèrent de l’électricité. Elles peuvent aussi être incorporées dans du matériel de vitrage photovoltaïque semi-transparent, qui peut être laminé dans les fenêtres, permettant ainsi à ces dernières de générer de l’électricité tout en laissant passer la lumière. Ce type d’application peut être très pertinent pour les bâtiments classés – dont toute altération va demander l’aval des ABF.

Utilisation dans l’électronique portable

Les cellules solaires en couches minces sont de plus en plus utilisées dans l’électronique portable. Grâce à leur légèreté et leur flexibilité, elles peuvent être intégrées dans des appareils tels que les téléphones portables, les montres connectées, ou encore les tablettes. Elles sont également parfaites pour les chargeurs solaires portables, permettant de recharger ces appareils hors du réseau électrique.

La technologie des panneaux solaires à couche mince, grâce à ses caractéristiques, a permis de réduire le poids des panneaux portables, un aspect crucial pour l’électronique portable. L’utilisation de couches minces de matériaux semi-conducteurs comme le GaAs, le Ge, le CdTe, le CIGS et le CIS a permis d’améliorer la flexibilité et la durabilité de ces appareils ainsi que leur rendement énergétique.

Les avantages pour l’électronique portable :

• Légèreté et flexibilité : ces cellules peuvent être courbées et pliées, ce qui les rend idéales pour les appareils portables.
• Rendement énergétique : même en condition de faible éclairage, ces cellules sont capables de convertir la lumière en énergie, ce qui est particulièrement utile pour les appareils portables à faible consommation.
• Durabilité : grâce à leur résistance aux conditions environnementales difficiles, elles sont particulièrement adaptées aux appareils portables qui sont souvent exposés à des conditions variées.

Ce sont ces caractéristiques qui font des cellules solaires en couches minces la technologie de choix pour l’électronique portable.

Utilisation dans les systèmes d’énergie renouvelable

L’utilisation des cellules solaires en couches minces dans les systèmes d’énergie renouvelable est une pratique courante. En effet, leur flexibilité, légèreté et capacité à fonctionner efficacement dans des conditions de faible luminosité les rendent particulièrement adaptées à diverses applications d’énergie renouvelable. Par exemple, elles sont souvent utilisées dans la construction de systèmes d’alimentation photovoltaïque intégrés.

De plus, les cellules solaires en couches minces sont également adaptées à l’utilisation dans des systèmes d’énergie solaire portables, tels que les chargeurs solaires ou encore les lampes solaires. Grâce à leur légèreté et leur flexibilité, ils sont parfaitement adaptés à une utilisation en extérieur : trail, randonnées, camping.

Enfin, les cellules solaires à couche mince peuvent également être utilisées pour alimenter des systèmes de production d’électricité à grande échelle, en combinant plusieurs cellules pour former des panneaux solaires de grande taille. Ces panneaux peuvent ensuite être installés sur les toits des bâtiments ou dans des parcs solaires pour produire de l’électricité à partir de l’énergie solaire.

Coûts de production et rentabilité des cellules en couches minces

La production de cellules solaires en couches minces présente des coûts significatifs, même si ces derniers sont généralement moins élevés que pour des cellules solaires traditionnelles. Les matières premières utilisées ainsi que les procédés de fabrication ont un impact direct sur le coût total.

• Le rendement des cellules solaires à couches minces est un facteur crucial de rentabilité. Malgré des coûts de production plus faibles, un rendement inférieur peut engendrer un coût global plus élevé par watt produit.
• Les coûts de fabrication dépendent en grande partie des matériaux utilisés. Par exemple, les cellules à base de tellurure de cadmium (CdTe) ou de Cu(In,Ga)Se2 sont généralement moins coûteuses à produire que celles à base de GaAs ou Ge.
• L’échelle de production influence également les coûts. Une production à grande échelle peut permettre de réaliser des économies d’échelle, réduisant ainsi le coût par unité produite.
• Enfin, l’innovation et l’optimisation des procédés de fabrication peuvent contribuer à réduire les coûts de production et augmenter la rentabilité de cette technologie.

Problèmes environnementaux et de durabilité

La production de cellules solaires à couches minces soulève des enjeux environnementaux. Certains matériaux semi-conducteurs utilisés, tels que le cadmium et l’indium, sont hautement toxiques et leur extraction peut avoir un impact négatif sur l’environnement. De même, l’utilisation de terres rares, bien que limitée, peut poser des problèmes d’approvisionnement et de durabilité.

En termes de durabilité, les tests en laboratoire montrent une dégradation légèrement plus rapide des cellules solaires à couches minces comparativement aux cellules photovoltaïques conventionnelles. Toutefois, une durée de vie de 20 ans ou plus est généralement attendue.

Chez Tuco, nous installons des panneaux à cellules photovoltaïques conventionnelles telles que ceux de la marque Thomson ou encore Soluxtec.

Il est essentiel de travailler sur ces aspects pour minimiser l’impact environnemental de cette technologie et en optimiser la durabilité. Des efforts sont déjà en cours pour développer des alternatives plus écologiques et durables, comme les cellules à couches minces semi-conductrices sans terres rares.

Quels sont les 3 types de cellules photovoltaïques ?

On distingue 3 types de cellules :

• Les cellules amorphes

• Les cellules organiques

• Les cellules photovoltaïques traditionnelles, comme le CdTe, le CIGS ou le a-Si.