Une cellule solaire en silicium amorphe et souple : a-Si

Les termes photovoltaïque, mince et silicium ne sont pas incompatibles, bien au contraire. Les cellules au silicium amorpheamorphe en sont le plus bel exemple. Certes, elles affichent un rendement assez faible, mais elles réagissent bien sous une faible luminositéluminosité, comme à l'intérieur d'une maison.

Les cellules au silicium amorphe (a-Si) sont apparues en 1976. Elles marquent une transition importante entre les structures de première génération et de deuxième génération. Ces entités se composent toujours de silicium, mais sur une épaisseur d'environ 1 µm seulement.

La technologie du silicium amorphe

Le silicium intégré dans les cellules a-Si n'a pas fait l'objet d'une cristallisation. Ses atomes sont donc agencés sans réelle organisation, ce qui leur permet de mieux capter la lumière (par rapport au silicium cristallin). Problème : les charges générées ont plus de difficulté pour se déplacer à cause de la désorganisation de la matière, ce qui se traduit par un mauvais coefficient de conversion. Par conséquent, leur rendement est faible.

La désorganisation atomique a d'autres conséquences. Les électrons de valence des atomes de Si ne forment pas toujours des liaisons covalentes au sein du semi-conducteursemi-conducteur. Il apparaît alors des liaisons pendantes qui peuvent dénaturer les propriétés électroniques du matériaumatériau. Pour limiter ce phénomène, les couches de silicium sont régulièrement passivées avec de l'hydrogènehydrogène (a-Si:H). Des atomes d'hydrogène établissent des liaisons avec les électrons restés libres, et réduisent ainsi le nombre de liaisons pendantes. 

Les cellules photovoltaïques au silicium amorphe ont un rendement faible, mais elles fonctionnent en intérieur. À l’origine, elles sont donc utilisées dans divers appareils électroniques comme cette calculatrice, car elles étaient sans équivalent. Elles peuvent également être intégrées dans des objets souples. © DanLockton, Flickr, cc by sa 2.0

L'établissement d'une jonction nécessite une troisième couche de silicium, qualifié d'intrinsèque (i, non dopé), à insérer entre les stratesstrates n et p. Les cellules au silicium amorphe ont donc des jonctions p-i-n.

Rendement des cellules solaire a:Si

Un rendement record de 13,4 % a été atteint en laboratoire par LG Electronics avec des cellules solaires a:Si, mais les cellules commerciales affichent plutôt des valeurs comprises entre 6 et 8 %.

Ces rendements sont certes moins importants que ceux des cellules cristallines, mais les entités a-Si ont quelques particularités qui justifient leur utilisation. Par exemple, elles réagissent bien en présence d'une faible luminosité, et peuvent donc produire un courant à l'intérieur d’une habitation. Ainsi, jusqu'en 2000, cette technologie a principalement été destinée à alimenter de petits appareils électroniques, comme des montres ou des calculatrices. Depuis, d'autres applicationsapplications lui ont été trouvées. Elle est notamment utilisée pour la fabrication de panneaux solaires souples ou à poser sur des façades. 

Des cellules à multijonction sont en cours de développement, et promettent déjà d'afficher de bons rendements. Ces structures s'obtiennent en superposant plusieurs séries de couches minces, chacune absorbant des longueurs d'ondelongueurs d'onde différentes. Une plus grande partie du spectrespectre lumineux est alors convertie en électricité.  

Composition couche par couche d’une cellule photovoltaïque au silicium amorphe. Les trois strates (layers) de ce matériau, respectivement dopées n, i et p, sont colorées en vert et en violet. Elles sont entourées d’éléments conducteurs (aluminium en bas, et TCO, transparent conducting oxides, au-dessus). © NREL

Composition et fabrication d'une cellule au silicium amorphe

De haut en bas, les cellules a-Si se composent généralement (plusieurs variantes existent) :

• d'une couche de verre par où pénètre la lumièrelumière ;
• d'un film conducteur transparenttransparent (ou TCO, pour transparent conducting oxides) qui récupère les charges négatives, par exemple de l'oxyde d'indiumindium-étainétain (ITO), de l'oxyde de zinczinc (ZnO) ou du stannate de cadmiumcadmium (Cd₂SnO₄) ;
• de trois couches de silicium amorphe, respectivement n, i puis p ;
• d'une couche conductrice réflective qui récupère les trous (souvent en aluminium) ;
• d'un substratsubstrat en verre (solidesolide), en métalmétal (souple) ou en plastiqueplastique (souple).

Les trois couches de silicium sont déposées sur le substrat et l'aluminiumaluminium dans une chambre maintenue sous vide et à une température comprise entre 150 et 300 °C. Dans la plupart des cas, l'apport de matière se fait grâce à l'injection de silane (un gazgaz de formule SiH₄) et d'hydrogène, selon la technique du dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD). L'application d'une tension radiofréquence entre deux électrodesélectrodes parallèles placées à proximité du substrat génère un plasma pouvant dissocier le silane, et ainsi favoriser le dépôt de silicium.

Les températures requises ne sont pas importantes en regard de celles appliquées durant la synthèse des structures cristallines. Ainsi, les cellules a-Si ont un coût de fabrication réduit. Par ailleurs, il faut 100 fois moins de silicium pour les produire (pour des cellules de taille identique). Cependant, ce détail n'influence plus qu'à quelques pour cent le coût total de fabrication des cellules.  

Inconvénients des cellules a-Si

Hormis leur faible rendement, les cellules a-Si présentent un autre inconvénient majeur : leurs performances diminuent rapidement de 10 % à 20 % de leur puissance durant les trois à six premiers mois d'exploitation. Les cellules CdTe, elles aussi apparues en 1976, n'ont pas ces problèmes. Mais n'en ont-elles pas d'autres ?