Cellules Solaires de Nouvelle Génération Partie 2 : Les Cellules Multi-jonction
Par Dr Félicien Mazille
Les cellules photovoltaïques «classiques» au silicium ne contiennent qu’une jonction. Il s’agit de la zone de contact entre deux couches de silicium dopée (jonction n-p) qui permet la séparation des charges et donc la production de courant électrique. Pour ces cellules photovoltaïques «classiques » la limite théorique de conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique (aussi appelée limite de Shockley-Queisser) est de 33.5%. Ce plafond est dû au fait que les jonctions de silicium actuelles ne peuvent pas réagir à l’ensemble du spectre solaire et qu’une partie significative de la lumière est perdue ou transformée sous forme de chaleur. En pratique, la limite est plutôt de 25% car pour aller au-delà de ce rendement des couts supplémentaires faramineux sont requis [1]. Les cellules multi-jonctions sont très prometteuses car elles peuvent capter une plus grande part du spectre solaire pour atteindre des rendements théoriques de 83% à condition d’utiliser des systèmes de concentrateurs.
La multi-jonction consiste à superposer des couches, par exemple en silicium traité, les unes au-dessus des autres. Chaque couche de silicium est traitée pour absorber des longueurs d’ondes spécifiques de la lumière. On peut par exemple imaginer une cellule traitée pour n’absorber que les couleurs bleutés, et une autre cellule pour n’absorber que les couleurs rouge. Ces cellules multi-jonctions captent ainsi deux fois plus le soleil : une fois en bleu, et une fois en rouge [2]. Ainsi des rendements proches de 40% sont rendus possibles par l’utilisation de telles techniques. A titre d’exemple, pour un ensoleillement de 1000W/m2, une production de 400W au m2 d’électricité est obtenue ce qui permet d’envisager des applications prometteuses comme la voiture solaire.
Cellules multi-jonctions à base de Silicium Source: [3]
L’utilisation de cellules triple-jonctions est aussi possible en utilisant des semi-conducteurs à base de Gadolinium et de Germanium (GaInP/GaInAs/Ge). Ces trois matériaux sont empilés, chacun destiné à convertir une certaine partie du spectre du soleil (ondes courtes, ondes moyennes, rayonnement infrarouge). Les cellules solaires multi-jonctions, qui servent aux applications spatiales (par exemple l’exploration de Mars) depuis presque 20 ans, présentent des rendements impressionnants. Leur potentiel est considérable : en laboratoire, les rendements de conversion de l’énergie lumineuse dépassent 41 %, soit près de deux fois le rendement des cellules photovoltaïques traditionnelles.
Cellules solaires multi-jonctions à base de Gadolinium et Germanium. Source: [4]
Si les cellules multi-jonctions sont plus performantes que les cellules traditionnelles, leur fabrication est toutefois plus coûteuse [5]. Les raisons principales de ce cout élevé sont leur structure complexe ainsi que la nature des matériaux utilisés.
L’utilisation d’optiques à concentration pour capturer la lumière du soleil sur ces cellules multi-jonctions permet de réduire considérablement la surface de matériau semi-conducteur nécessaire à la fabrication de ces cellules – seulement quelques millimètres carrés – pour des modules dont l’efficacité est élevée et le coût de fabrication faible. La concentration de la lumière pour les applications photovoltaïques sera par ailleurs le sujet d’un prochain article.
[1] http://www.cleantechrepublic.com/2011/12/12/cellules-photovoltaique-50pourcent-rendement-2020/
[2] http://www.abcphotovoltaique.com/articles.php?lng=fr&pg=237
[4] http://www.reuk.co.uk/40-Percent-Efficiency-PV-Solar-Panels.htm
[5] http://www.soitec.com/fr/technologies/concentrix/composants/
