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Vers une cellule photovoltaïque de troisième génération…
L'énergie photovoltaïque (transformation de l'énergie solaire en électricité) est porteuse de grands espoirs. Mais même si des particuliers équipent leurs maisons en panneaux solaires, son coût freine encore sa généralisation. Cas emblématique pour les physiciens du Laboratoire PHASE (Physique et applications des semi-conducteurs), qui décryptent les propriétés physico-chimiques du silicium et s'appuient sur les nanotechnologies pour créer la cellule solaire de troisième génération.
« Le coût de revient d'un kWh photovoltaïque, explique Daniel Mathiot, directeur de PHASE, est plus élevé que celui d'un kWh nucléaire. Bien qu'ayant une durée de vie supérieure à trente ans, une cellule photovoltaïque doit fonctionner environ cinq ans pour compenser l'énergie utilisée à la fabriquer. Il est donc utile de développer des procédés moins coûteux ». Les physiciens travaillent essentiellement au niveau du composant élémentaire (la cellule photovoltaïque, composant d'environ 10 x 10 cm2), pour améliorer ses propriétés. Leur matériau d'étude est le silicium, semi-conducteur1 économique et couramment utilisé.
© D. R.
Principe de fonctionnement d'une cellule photovoltaïque.
L'éclairement par le soleil du matériau silicium engendre la création de plusieurs paires électron-trou. Ces charges sont ensuite séparées par le champ électrique au niveau de la jonction np, puis se dirigent vers les contacts électriques correspondants. Un courant électrique circule alors dans un dispositif (ampoule, moteur…) connecté aux bornes de la cellule.
Les cellules industrielles de première génération, en silicium massif, ont un rendement limité, ne transformant que 15 % d'énergie solaire en électricité : les électrons porteurs de charge, générés par la lumière du soleil, sont partiellement perdus dans le volume du silicium à cause de la présence d'impuretés résiduelles (atomes de fer, titane…). Les chercheurs développent donc des procédés permettant de piéger ces atomes dans des zones inactives.
© D. R.
Film mince de silicium sur substrat céramique pour cellule photovoltaïque de deuxième génération.
Une autre approche consiste à utiliser un film mince de silicium (environ 10 micromètres) déposé sur un substrat moins cher, des plaquettes de verre ou de céramique. Cette deuxième génération de cellule a aussi ses défauts, que les physiciens corrigent en travaillant à la maîtrise du matériau lui-même.
À l'échelle nanométrique, les propriétés des matériaux changent. Les physiciens tentent d'en tirer profit, par exemple en introduisant des nanoparticules2 de silicium ou de germanium (5 nanomètres de diamètre) dans une fine couche de verre placée à la surface de la cellule pour que la lumière solaire soit mieux absorbée.
1/ Matériau de base des composants électroniques, ayant un comportement électrique intermédiaire entre les conducteurs (métaux) et les isolants. Un semi-conducteur ultra-pur (« intrinsèque ») est presque isolant. La conductivité électrique est améliorée grâce à l'ajout d'impuretés adéquates (« dopants »), mais détériorée par d'autres impuretés comme les métaux, même en très faible concentration.
2/ Amas de très petite taille, ne comprenant que quelques centaines à quelques milliers d'atomes.
Conversions : 1 m = 106 µm (un million de micromètres) = 109 nm (un milliard de nanomètres).
Daniel Mathiot
Laboratoire PHASE (Physique et applications des semi-conducteurs)
CNRS
Tél. : +33 (0)3 88 10 65 49
Mél : Daniel.Mathiot@phase.c-strasbourg.fr
Abdelillah Slaoui
Responsable du groupe photovoltaïque de PHASE
Tél. : +33 (0)3 88 10 63 28
Mél : Abdelillah.Slaoui@phase.c-strasbourg.fr
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PHASE
