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  1. 1. 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 Par Pr. Mongi BOUAICHA Laboratoire de Photovoltaïque Centre de Recherches et des Technologies de l’Energie, Technopôle de Borj-Cédria, Tunis, Tunisie 2ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  2. 2. Dépenses Population énergétiques mondiale (GT/an) (milliards) 8 8 Population mondiale Présent 7 Charbon 7 Pétrole 6 Gaz 6 Energie nucléaire 5 Energie renouvelable 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 0 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100 AnnéeDépenses énergétiques et évolution de la consommation mondiales entre l’an 1750 et l’an 2100. 2
  3. 3. Impact du photovoltaïque sur l’économie d’un pays Industrie photovoltaïque Industrie du silicium  Employabilité très élevée Industrie du verre  Maîtrise du savoir-faire  Apport important au PIB/PNB Industrie du câble Industrie du plexiglas Industrie métallurgique Industrie électronique Industrie machines complexes 3
  4. 4. En général, un bon matériau pour la conversion photovoltaïque devrait satisfaireaux 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’existepas encore. Les recherches continuent et les différents scénarios les plusprobables 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. 4 2ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  5. 5. Les trois générations des cellules solaires Première génération (1G)Silicium massif mono, multi et polycristallin, Echelle du laboratoire partout dans le monde 5 2ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  6. 6. Le Centre de Recherches et des Technologies de l’Energie (CRTEn) Technopôle de Borj-Cédria, Tunis, Tunisie  Savoir-faire dans le domaine des cellules solaires 1G et 2G  Nous avons commencé des travaux sur les cellules 3G 2ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  7. 7. Effectif du Centre de Recherches et des Technologies de l’Energie (CRTEn) 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 MastèreActuellement, cet effectif est appelé à exécuter 25 projets derecherche dans le cadre du contrat-programme 2010-2013. 2ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  8. 8. Les programmes de recherche1-Conversion thermique de l’énergie solaire2-Conversion photovoltaïque de l’énergie solaire3-Efficacité énergétique dans l’industrie et dans lebâtiment4-Valorisation énergétique des déchets5-Energie éolienne 2ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  9. 9. Ces travaux sont exécutés par trois laboratoires Laboratoire de Photovoltaïque (LPV) Laboratoire Thermique (LPT) Laboratoire de Maîtrise de l’Energie Eolienne et de laValorization Energétique des Déchets (LMEEVED) 2ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  10. 10. Laboratoire de Photovoltaïque 10 2ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  11. 11. Première Génération 112ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  12. 12. La chaine de fabrication descellules et des panneaux PV au Savoir-faire Système silicium cristallin Du LPV Module 2010 Cellule Plaquette Lingot Silicum SiO2 2ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  13. 13. 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 rendementamélioré à 12.5%.• En 1999 introduction du Silicium Poreux, de la passivation et du getteringdans 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. 13
  14. 14. Quelques équipements pour la fabrication et la caractérisation des cellules solaires Machine (Pasan CT 801) pour caractérisation I-V sous éclairement des cellules solaires Four à diffusionFour IR à atmosphère contrôlée Machine à sérigraphie 14 2ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  15. 15. Silicium Poreux (SP) sur silicium cristallin 50 1999-2000 40Total reflectivity (%) 30 (a) Before PS application 20 (b) After PS application Effet d’une couche de SP sur la 10 caractéristique I-V sous AM1.5 0 25 400 500 600 700 800 900 1000 1100 After PS Wavelength (nm) 20 Effet d’une couche de SP sur la 15 J (m A /cm ) réflectivité 2 Before PS 10 5 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 V (Volts ) 15
  16. 16. Effet du SP sur du Si texturisé Image par MEB montrant des textures pyramidales réalisées sur une surfacede silicium monocristallin d’orientation (100). 40 SP sur Si-monocristallin Total reflectivity (%) texturisé (a) 30 Réflectivité totale 20 10 (b) 0 400 600 800 1000 Wavelength (nm)
  17. 17. Gettering du Si-mc par le SP : Analyse par LBIC-2D (2004) 2D-LBIC arround a grain boundary before gettering 0 500 1000 1500 0 1,000 A 0,9807 0,9574 2D-LBIC arround a grain LBIC current 0,9340500 0,9107 boundary after gettering 0,8873 0 500 1000 1500 0 0,8640 1,0001000 0,9623 0,8407 0,9168 0,8173 500 LBIC current 0,8712 0,79401500 0,8257 0,7802 1000 0,7346 0,6891 0,6435 1500 0,5980 2ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  18. 18. Gettering du Si-mc par le SP : Analyse par IQE-2D 2D-IQE arround a grain boundary before gettering IQE 0,5505 1000 0,5367 0,5229 800 0,5091 600 0,4953Y µm 0,4814 2D-IQE arround a grain 400 0,4676 boundary after gettering IQE 0,4538 200 0,7500 0,4400 1000 0,7181 200 400 600 800 1000 0,6862 800 X µm 0,6544 0,6225 Y µm 600 0,5906 400 0,5587 0,5269 200 0,4950 200 400 600 800 1000 X µm
  19. 19. Passivation par Al2O3 (Pulsed Lased Deposition) sur SP (2012) 65 60 55 Réflectivité totale 50 Total reflectance (%) 45 40 35 30 25 Bare c-Si 20 Image par AFM de la 15 Al2O 3/PS couche de SP 10 PS 5 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 wavelength (nm) 7 Variation de la durée de vie des PMs en fonction 6 de l’épaisseur de la couche de Al2O3 5 Lifetim e (µs ) 4 3Image par AFM de la couche de 2 Al2O3 (5 nm) 0 nm 5 nm 20 nm 19 80 n m Al2O 3 thickn es s
  20. 20. Les nanofils de silicium pour le photovoltaïque 140 (2011) 0min 20min 25min 30min 120 100Reflectivity (%) 80 60 4,0 4,0 40 3,5 3,5 3,0 3,0 20 R es is tiv ity (Ω− cm ) 2,5 Res is tivity 2,5 Life tim e (µs ) 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2,0 2,0 Wave Length (nm) 1,5 1,5 1,0 1,0 Lifetime 0,5 0,5 0,0 0,0 0 10 20 30 40 50 60 Etching time (min) Il faut optimiser les paramètres de fabrication des nanofils de silicium, pour un meilleur compromis entre les propriétés électriques et optiques.
  21. 21. 63,5 63,5 τ 20 min 63,4 R 20 min 63,4 τ 25 minMean Effective Lifetim e (µs ) 63,3 63,3 R 25 min τ 30 min Mean R eflectivity (%) 63,2 63,2 R 30 min 63,1 63,1 63,0 63,0 10 10 5 5 0 0 0,015 0,016 0,017 0,018 0,019 0,020 AgNO 3 (M)
  22. 22. Purification du SiO2 (2010) XR micro analysis of SiO2 before purification 222ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  23. 23. Purification du SiO2 XR micro analysis of SiO2 after purification 232ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  24. 24. Deuxième Génération 242ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  25. 25. 252ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  26. 26. Cellule au silicium amorpheMachine pour la fabrication du silicium amorphe au laboratoire de photovoltaïque 26
  27. 27. Cellule solaire à colorant Le dioxyde de titane est déposée sur une partie des substrats de FTO ou de ITO par latechnique électrophorèse (EPD). Cette technique est basée sur l’application d’une forte tension continue aux borne desdeux électrodes. Les conditions de l’expérience : la tension appliquéeest de 90 V, la distance entre les électrodes est + -maintenue à 1cm et le temps de déposition est de 30 Al FTOsecondes. TiO2 en suspension Schéma de principe de la technique EPD. 2ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  28. 28. 1500 TiO2 powder 004 TiO2 thin film 1200 900Intensity (a.u.) b 101 211 600 101 -10 Glass/ITO/Al/electrolyte/N3/TiO2/ITO/glass 2,5x10 300 -10 004 200 2,0x10 211 204 105 0 -10 1,5x10 10 20 30 40 50 60 70 DRX des couches 2θ (°) de minces I (A) Bragg angle TiO2 -10 1,0x10 -11 5,0x10 100 0,0 R 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 T 80 U (V) 60 Caractéristique I-V des CSC T,R (%) 40 20 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 Wavelenght λ (nm) Spectre de transmission de la couche mince de TiO2 2ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  29. 29. Troisième Génération 292ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  30. 30. Origines des pertes en rendement de conversion PV dans les cellules 1G & 2G1 Energie du photon = Energie du gap2 Transparence pour les photons d’énergie inférieure au gap.3 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. 3 BC Pertes par Pertes par 2 transparence thermalisation 1 Eg BV 2ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  31. 31. A partir de cette problématique l’idée d’unenouvelle génération de cellules solaires est née: les CS-3G 1. Cellules solaires à bande intermédiaire 2. Cellules solaires à gap graduel 3. Cellules solaires à conversion de spectre 4. Cellules solaires à porteurs chauds 5. Cellules solaires à multi-spectre 31 2ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  32. 32. Cellule solaire à porteurs chauds Jonction N+P Dépôt d’une couche de a-Si : H ; Recuit de a-Si : H à 820°C (SiH4, H2) PECVD pendent 15 mn ; formation de NC-Si. SiO2 a-Si :H NC-Si Si-mc Si-mcSubstrat de Si avec 5 nm de SiO2SiO2 ; (SiH4, O2) PECVD. Dépôt d’une deuxième couche de SiO2 dans les mêmes conditions que la première couche. SiO2 2ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  33. 33. 2ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  34. 34. Technique d’élaboration : PECVD RF = 13.56 Mhz L’épaisseur de la couche SiO2 est égale à 5 nm Le débit de O2 = 5 sccm Le débit de SiH4 = 20 sccm Le temps de dépôt: 5 minutes (1nm/mn) Température de substrat= 400°CRF = 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
  35. 35. Evolution de la morphologie de surface et des caractéristiques I-V àl’obscurité et sous éclairement AM1.5 de la cellule de référence et celle contenant des NCs-Si Si-mc après la jonction Première couche SiO2 Couche amorphe après recuit I (A) 1,0 I (A ) 0,8 Sous 0,8 éclairement à lobscurité 0,6 0,6 0,4 0,4 A lobscurité sous 0,2 éclairement 0,2 0,0 0,0 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 V (Volt) V (Volt) -0,2 -0,2 2ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech
  36. 36. Merci pour votre attention 2ème Salon International de lEnergie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech

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