Le document aborde les matériaux et technologies des cellules photovoltaïques, en mettant l'accent sur l'évolution des matériaux de première à troisième génération. Il souligne l'importance de la recherche dans ce domaine, en identifiant les exigences clés pour les matériaux photovoltaïques et les innovations actuelles. Enfin, il présente les travaux de recherche effectués par le centre de recherche tunisien sur les cellules solaires et les programmes connexes.

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 l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech

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
Année
Dépenses énergétiques et évolution de la consommation mondiales entre l’an 1750 et
l’an 2100. 2

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. 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.
4
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5. Les trois générations des cellules solaires
Première génération (1G)
Silicium massif mono, multi et polycristallin,
Echelle du laboratoire partout
dans le monde
5
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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
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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 Mastère
Actuellement, cet effectif est appelé à exécuter 25 projets de
recherche dans le cadre du contrat-programme 2010-2013.
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8. Les programmes de recherche
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
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9. 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)
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10. Laboratoire de Photovoltaïque
10
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11. Première Génération
11
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12. La chaine de fabrication des
cellules et des panneaux PV au Savoir-faire Système
silicium cristallin Du LPV
Module
2010 Cellule
Plaquette
Lingot
Silicum
SiO2
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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 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. 13

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 diffusion
Four IR à atmosphère
contrôlée Machine à sérigraphie
14
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15. Silicium Poreux (SP) sur silicium cristallin
50
1999-2000
40
Total 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. Effet du SP sur du Si texturisé
Image par MEB montrant des textures
pyramidales réalisées sur une surface
de 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. 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
0,9340
500
0,9107 boundary after gettering
0,8873
0 500 1000 1500
0
0,8640 1,000
1000 0,9623
0,8407
0,9168
0,8173
500
LBIC current
0,8712
0,7940
1500 0,8257
0,7802
1000 0,7346
0,6891
0,6435
1500 0,5980
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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 0,4953
Y 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. 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
3
Image 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. Les nanofils de silicium
pour le photovoltaïque
140
(2011) 0min
20min
25min
30min
120
100
Reflectivity (%)
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. 63,5 63,5
τ 20 min
63,4 R 20 min 63,4
τ 25 min
Mean 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. Purification du SiO2 (2010)
XR micro analysis of SiO2 before purification
22
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23. Purification du SiO2
XR micro analysis of SiO2 after purification
23
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24. Deuxième Génération
24
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25. 25
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26. Cellule au silicium amorphe
Machine pour la fabrication du silicium amorphe au laboratoire de photovoltaïque 26

27. Cellule solaire à colorant
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.
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
Al FTO
secondes.
TiO2 en
suspension
Schéma de principe de la technique EPD.
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28. 1500
TiO2 powder
004
TiO2 thin film
1200
900
Intensity (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
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29. Troisième Génération
29
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30. Origines des pertes en rendement de conversion PV
dans les cellules 1G & 2G
1
 Energie du photon = Energie du gap
2
 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
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31. A partir de cette problématique l’idée d’une
nouvelle 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
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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-mc
Substrat de Si avec 5 nm de SiO2
SiO2 ; (SiH4, O2) PECVD.
Dépôt d’une deuxième couche de SiO2 dans les mêmes
conditions que la première couche.
SiO2
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33. 2ème Salon International de l'Energie Solaire, 13 – 14 février 2013, Palais des Congrès – Marrakech

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°C
RF = 13.56 Mhz
L’épaisseur de la couche a-Si:H est égale à 6 nm
Le débit de H2 = 50 sccm
Le débit de SiH4 = 4 sccm
Le temps de dépôt: 5 minutes (1nm/mn)
Température de substrat= 300°C

35. 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
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 l'obscurité
0,6
0,6
0,4 0,4
A l'obscurité
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
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36. Merci pour votre attention
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