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Impression des cellules solaires photovoltaïques
		Elsa CORROYER et Sophie HUGUET Élèves ingénieurs 2e Année  Mai 2009 Mise en ligne - Avril 2010 Avertissement Ce mémoire d'étudiants est une première approche du sujet traité dans un temps limité. À ce titre, il ne peut être considéré comme une étude exhaustive comportant toutes les informations et tous les acteurs concernés.		Plan   I - Introduction II - Qu'est-ce qu'une cellule photovoltaïque ? III - Fabrication des cellules photovoltaïques IV - Étude de marché V - Conclusion VI - Bibliographie-Webographie
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I - Introduction

	Figure 1 - Énergie solaire photovoltaïque [Accer50]

"Passer de 9 % à 20 % la part des énergies renouvelables dans la consommation finale d’énergie en 2020 et viser, si possible, 25 %. Cela suppose un plan concerté pour mobiliser les filières les plus matures (bois combustible, hydraulique, éolien, solaire thermique), et des efforts pour développer les filières prometteuses (solaire photovoltaïque, géothermie à moyenne profondeur, biocarburants de 2^e génération)" [Grenelle de l'Environnement - Lutter contre les changements climatiques et maîtriser l'énergie]. Dans cet objectif établi en 2007, les pouvoirs publics français affichent leur volonté de mettre l'accent, entre autres, sur l'énergie solaire photovoltaïque [Figure 1].

Une volonté partagée par de nombreux pays désireux de profiter des bénéfices du rayonnement solaire. Il est vrai que dans le monde entier, la production durable d’énergie à bas coût est désormais une priorité. La demande en électricité ne cesse d’augmenter et les ressources majoritairement exploitées sont épuisables. Les sources de production électrique identifiées en 2008 sont les suivantes [Figure 2] :

	Figure 2 - Production mondiale d'électricité en 2008 [Obers-ER. La production d'électricité d'origine renouvelable dans le monde. Ed. 2009]

L’énergie fournie par le Soleil est encore très marginale : elle ne représente en 2008 que 0,06 % du total de l'électricité produite et 0,3% de la production électrique d'origine renouvelable. Pourtant, la production d'électricité d'origine solaire a connu une croissance forte en dix ans, soit 29,6% par an en moyenne [Figure 3]. Le développement de l'exploitation de cette ressource semble inévitable.

	Figure 3 - Taux de croissance annuel moyen 1998-2008 des sources d'électricité [Obers-ER. La production d'électricité d'origine renouvelable dans le monde. Ed. 2009]

Toutefois, le coût de production des cellules photovoltaïques est encore élevé. C'est pourquoi des études sont menées afin de rendre leur fabrication plus rentable : parmi les techniques de fabrication existantes, l'impression des cellules en couches minces est un procédé intéressant à plus d'un titre.

II - Qu'est-ce qu'une cellule photovoltaïque

"Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère de l’électricité. C’est l’effet photovoltaïque qui est à l’origine du phénomène. Le courant obtenu est fonction de la lumière incidente. L’électricité produite est fonction de l’éclairement, la cellule photovoltaïque produit un courant continu". [Wikipédia]

"Une cellule photovoltaïque transforme l’énergie lumineuse du soleil en courant électrique grâce au matériau semi-conducteur qu’elle contient". [Ademe]

La conversion de l'énergie solaire en électricité, appelée "effet photovoltaïque" est découverte en 1839 par le physicien français Alexandre-Edmond Becquerel (1820-1891). Toutefois, ce n'est qu'en 1954 qu'apparaît la première cellule photovoltaïque à haut rendement.

II-1 - Principe de fonctionnement

Le matériau permettant de fabriquer le courant électrique est le semi-conducteur. Lorsqu’il est pur, ce dernier est presque isolant. Il faut lui ajouter des impuretés ou "dopants" afin de provoquer sa conductivité. Cependant, même présentes à faible concentration, si elles sont métalliques, les impuretés peuvent détériorer le semi-conducteur.

Le fonctionnement de la cellule repose sur la jonction entre deux zones d’un matériau dopées différemment, dite jonction P-N, ou sur la jonction entre deux matériaux différents appelée hétérostructure ou hétérojonction. La couche la moins épaisse est soumise au rayonnement. Après absorption de la lumière, des porteurs de charges sont générés dans le semi-conducteur (électrons et trous), puis ils sont collectés [Figure 4].

	Figure 4 - Conversion directe de la lumière en électricité [Equer B. Électricité solaire photovoltaïque et couches minces]

II-2 - Propriétés des semi-conducteurs

• Domaine d’absorption.
• Bande interdite : différence énergétique entre la bande de conduction et la bande de valence.
• Temps de relaxation.
• Pureté et cristallinité.

De manière plus globale, il faut considérer l’ensemble de la cellule pour déterminer son efficacité. Le rendement, c'est-à-dire la quantité d’énergie récupérée par rapport à la quantité d’énergie reçue, est un facteur prépondérant.

II-3 - Première génération : cellules en silicium cristallin

Elles sont réalisées à partir de la réduction de la silice provenant du quartz. Le silicium doit être pur à plus de 99%, ce qui nécessite des transformations lourdes : fusion, équarrissage. Il est obtenu sous forme de lingot après transformation puis est scié de manière à obtenir des plaques d’une épaisseur de 200 µm environ. L'injection de dopants (phosphore, arsenic, antimoine, bore) le rend semi-conducteur. Une couche anti-reflet est ensuite déposée [Figure 5].

	Figure 5 - Cellule photovoltaïque au silicium cristallin [Lincot D. Nanostructures et conversion photovoltaïque]

Avantages :

• Rendement :12 à 20%.
• Robustesse et longévité.

Inconvénients :

• Absorbe peu de lumière.
• Une grande épaisseur est nécessaire pour avoir une pureté et une cristallinité importantes.
• La moitié des lingots est jetée lors de la réalisation des plaquettes.
• Coût élevé.

II-4 - Deuxième génération : cellules en couches minces

II-4-1 - Silicium amorphe

Lors de sa transformation, le silicium émet un gaz projeté sur une feuille de verre en présence d’hydrogène pour contrôler le dopage de types n et p. La technique utilisée est la vaporisation sous vide [Figure 6]

	Figure 6 - Cellule photovoltaïque au silicium amorphe [Lincot D. Nanostructures et conversion photovoltaïque]

Avantages :

• Fonctionnement avec un faible éclairement.
• Fabrication à un prix raisonnable.

Inconvénients

• Diminution de performance au cours du temps.
• Rendement faible en plein soleil.

II-4-2 - Cellules CIGS

Le matériau cuivre indium gallium sélénium est le semi-conducteur utilisé, la cellule CGIS résultante est polycristalline, à hétérojonction. Ces cellules peuvent être réalisées par impression ou par déposition sous vide (spray) qui s’avèrent être des procédés relativement économiques. Le substrat peut être flexible.

II-4-3 - Cellules CdTe

Le matériau cristallin est constitué de cadmium et de tellure. La cellule CdTe est à hétérojonction. Le cœfficient d’absorption de ce matériau est relativement élevé ce qui permet de réduire la quantité de matière première.

Seules les cellules de première et deuxième générations sont produites de manière industrielle. Le tableau ci-dessous résume les propriétés principales de ces deux générations [Tableau 1].

Tableau 1 - Tableau comparatif des caractéristiques des cellules photovoltaïques de première et deuxième générations

II-5 - Troisième génération : cellules à haut rendement

II-5-1 - Cellules photovoltaïques organiques

Le semi-conducteur utilisé est un polymère comme par exemple le polyacétylène. Des recherches sont en cours afin que toutes les couches de la cellule soit de nature polymère. Objectif : manipuler un seul type de matériau et donc une même technologie tout au long du processus de fabrication. Les avantages sont une forte absorption optique, des substrats variés ainsi que des techniques de dépose assez simple. L'inconvénient est que la longévité de ces cellules n’est toujours pas maîtrisée.

II-5-2 - Cellules à jonctions

Dans ces cellules, sont superposés différents types des cellules précédentes :

• Cellules tandem : deux couches de semi-conducteurs (amorphe et semi-cristallin) qui absorbent dans des domaines spectraux proches, sont combinées, ce qui améliore le rendement par rapport aux cellules simples.
• Cellules multi-jonctions : deux ou trois semi-conducteurs différents sont utilisés, un semi-conducteur par couche. L'efficacité est de 40 %. Cependant, le coût de revient est de 40$ par cm². Ces technologies sont surtout employées dans l’espace.

Le procédé de fabrication varie en fonction et à l’intérieur des générations. Les cellules à couches minces sont en voie de développement et diverses techniques servent à les produire. L’impression via certains procédés participe à leur industrialisation et doit faire ses preuves vis-à-vis des technologies concurrentes. De plus, dans le cas des cellules multicouches, la dépose par impression de certaines d’entre elles peut être envisagée.

III - Fabrication des cellules photovoltaïques

Les procédés étudiés ici permettent de fabriquer des cellules à couches fines. Atout : elles peuvent avoir un support flexible. En effet, cela permet une intégration beaucoup plus simple aux architectures. Désormais, il est possible de dérouler des rouleaux flexibles sur les toits des immeubles. Les fermes photovoltaïques ne sont donc plus les seuls lieux permettant une intégration simple. De plus, plusieurs méthodes sont utilisées en laboratoire. Toutefois, en termes d’applications industrielles, toutes ces méthodes ne sont pas transposables. Voyons les techniques déjà testées sur le plan industriel.

III-1 - Co-évaporation

Utilisée pour réaliser des cellules CIGS, elle permet de déposer quatre couches. Il y a une évaporation thermique de petites molécules et la dépose des quatre couches est simultanée. Toutefois, l’efficacité du dépôt est faible et la technique nécessite du chauffage et la création du vide.

III-2 - Dépôt électrolytique

Un support de verre est enduit d’une couche d’étain. Puis, un dépôt électrolytique du semi-conducteur est effectué à partir d’une solution aqueuse. Cependant, tous les composés du matériau ne sont pas forcément susceptibles d'être déposés par cette technique. Une dernière étape peut être nécessaire. L’ensemble est recuit sous pression de l’élément que l’on souhaite incorporer.

III-3 - Sérigraphie

Ce procédé d'impression sert à créer des cellules CdTe. Il faut plusieurs presses sérigraphiques mais aussi des fours. En effet, une couche est déposée par sérigraphie puis cuite sous atmosphère azotée. De plus, ce procédé peut être utilisé pour la dépose des contacts métalliques. Il est relativement simple mais le rendement est de 8,7 %.

III-4 - Jet d'encre

Le jet d’encre est connu pour être le procédé d’impression le plus modulable. Le principe piézoélectrique est utilisé pour générer des gouttes à la demande. Intérêt : il n’y pas de perte de matière première et la taille du support est variable. Néanmoins, la maîtrise du dépôt (séchage et homogénéité) pose encore des problèmes ainsi que la superposition des couches imprimées.

En mars 2008, la société américaine Konarka annonce avoir mis au point les premières cellules photovoltaïques imprimée en jet d’encre [Figure 7]. Il est possible d'imprimer une cellule entière ou une partie de ses constituants : par exemple, réaliser les contacts face avant pour les cellules au silicium.

	Figure 7 - Impression jet d'encre de cellules photovoltaïques [Masamitsu E. Startup makes cheap solar film cells... with an inkjet printer]

III-5 - Procédés roll-to-roll

Les procédés roll-to-roll sont des procédés avec contact, contrairement au jet d’encre. Une adaptation des presses typographiques permet de réaliser des cellules CIGS. Les encres utilisées sont composées de nanoparticules de 100 nm de diamètre. Il y a une stœchiométrie parfaite entre les quatre éléments. L’épaisseur déposée est de 1,5 µm.

La société Nanosolar, qui a développé cette technologie, produit industriellement ces cellules. Le support utilisé est souple  : alliage de 100 micro-mètres d’aluminium [Figure 8]. La technologie fonctionne à l’air libre. L’avantage essentiel est la stabilité de l’impression. En effet, il faut effectuer des réglages précis lors des premiers mètres de fabrication puis l’état stable de production s’établit.

	Figure 8 - Impression d'un support métallique souple avec les encres à nanoparticules [Nanosolar]

Le tableau ci-dessous récapitule les avantages et les inconvénients des différents procédés [Tableau 2].

Tableau 2 - Avantages et inconvénients des procédés de fabrication des cellules photovoltaïques

IV - Étude de marché

IV-1- Marché actuel

Rappelons la part occupée par les cellules de deuxième génération sur le marché des cellules photovoltaïques [Figure 9] :

	Figure 9 - Répartition des technologies de cellules en 2007 [Photovoltaique.info]

Les technologies des couches minces ont démarré tardivement sur le marché des cellules photovoltaïques. Jusqu’en 2005, elles ont connu une industrialisation lente : une inertie principalement due à des difficultés techniques pour atteindre de bons rendements. De plus, il est difficile d’optimiser un nouveau procédé alors qu’il existe des solutions assez efficaces sur le marché.

Pourtant, certaines conditions favorisent leur développement.

Dans une société de plus en plus soucieuse quant à la production et à la consommation des énergies, le facteur environnemental est un argument majeur. Une bonne utilisation de l’énergie solaire par la technique des couches minces permettrait de répondre en grande partie aux défis actuels liés à l’approvisionnement énergétique et au changement climatique. Cette source d’énergie, pérenne, recyclable et peu polluante, serait une alternative intéressante. Le Grenelle de l’Environnement a fixé un objectif : diviser par quatre les émissions de gaz à effet de serre à l’horizon 2050. Le solaire photovoltaïque est une opportunité pour atteindre cet objectif. Les cellules de première génération en silicium cristallin sont aussi une solution pertinente à ce problème mais pour une période courte car les ressources de silicium s’épuisent d’année en année.

Le facteur économique est également un élément important dans l’émergence des cellules couches minces. Les fabricants de panneaux solaires sont pénalisés par le coût de fabrication des panneaux photovoltaïques à base de silicium cristallin, ce qui limite leur démocratisation. La technique des couches minces ne nécessite que quelques micromètres de matériau actif, déposé sur des substrats à bas coûts (verre, plastique, métal). De plus, la production de masse permise par les procédés d’impression va dans le sens de la banalisation de cette source d’énergie.

Certains pays, comme l'Allemagne, ont adopté une politique favorisant le photovoltaïque. En France, cette technologie fait partie du Plan Bâtiment Grenelle. Ce choix de développement mise sur la baisse des prix, le positionnement des industriels français sur un secteur innovant à forte valeur ajoutée ainsi que l’aide précieuse des nombreux investisseurs.

Grâce aux politiques volontaristes de plusieurs pays, aux progrès techniques et à l’investissement privé, l’industrie des cellules photovoltaïques en couches minces connaît une croissance sans précédent. Le graphe ci-dessous trace les perspectives d’évolution de la production pour les prochaines années. La quantité de couches minces produites devrait être doublée, triplée voire décuplée selon les techniques utilisées [Figure 10].

	Figure 10 - Perspectives d'évolution de la production des cellules photovoltaïques par technologie [Kho J. Thin-film solar set to take market share from crystalline solar PV]

Le développement actuel du photovoltaïque va se poursuivre car les capacités de production augmentent plus vite que la production elle-même. La filière du silicium massif restera sur le marché pendant quelques années. Quant à la filière des couches minces, elle devrait connaître un essor considérable. Sa part devrait atteindre 20% vers 2012. L'objectif de prix ≈ 1€/Wc est réaliste. Il rendra ainsi le photovoltaïque plus compétitif.

IV-2- Analyse technico-économique

IV-2-1 - Analyse concurrentielle (diagramme de Porter)

	Figure 11 - Analyse concurrentielle du marché des cellules photovoltaïques imprimées (Diagramme de Porter)

Comment la technologie des couches minces peut-elle s’intégrer ?

Les avantages des cellules couches minces par rapport aux cellules de première génération sont le prix de revient, la recyclabilité et la production de masse. Cela permet de penser que l’intégration des cellules couches minces dans le marché des cellules photovoltaïques est inéluctable.

Toutefois, il faut prendre en compte le danger potentiel des nouveaux entrants qui sont encore testés dans les laboratoires. Quand ces cellules de troisième génération à haut rendement arriveront sur le marché, il est possible qu’elles remplacent les cellules de deuxième génération. Cette perspective n'est pas immédiate. De plus, il est possible d'imaginer des techniques d’impression pour fabriquer ces cellules à haut rendement : il existe déjà des applications dans lesquelles sont imprimés des matériaux organiques. Cette évolution devrait donc favoriser et élargir le panel des cellules photovoltaïques imprimées.

IV-2-2 - Analyse stratégique (matrice SWOT)

Tableau 3 - Analyse stratégique du marché des cellules photovoltaïques
imprimées en couches minces (Matrice SWOT)

À noter - Les États-Unis mènent une politique de recherche intéressante à signaler : ignorer les procédés de fabrication existants et se concentrer sur les procédés futurs. Ainsi, au lieu de travailler sur le silicium multicristallin, secteur du photovoltaïque dominé par les Européens, les Japonais et bientôt les Chinois, des universités (Caltech, Stanford, Berkeley, Delaware) et des centres de recherche (NREL, Sandia) ont choisi de travailler sur la troisième génération de cellules photovoltaïques. Pour eux, la valeur ajoutée viendra de cette génération à haut rendement. Certaines entreprises de renom (Konarka, Global Solar) ou start-up – plusieurs ont émergé des travaux d'Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid et Hideki Shirakawa, prix Nobel de chimie en 2000 pour la découverte et le développement de polymères conducteurs – s'y sont engagées.

IV-3 - Scénarios d'évolution des cellules photovoltaïques imprimées

IV-3-1 - Facteurs de développement

Le silicium nécessaire pour fabriquer les cellules photovoltaïques traditionnelles (première génération) est onéreux et de moins en moins abondant. Or, il est le produit clef de ce procédé. Il est possible d'imaginer que les semi-conducteurs utilisés pour les procédés couches minces (CIGS, CdTe) se substitueront au silicium.

De plus, il y aura certainement une demande grandissante d'installer ce système de récupération d’énergie sur de nombreux supports de natures et de formes différentes. Les couches minces apparaissent comme la meilleure solution technique : ces films flexibles s'adaptent à tous les supports. Les fabricants de cellules solaires se tourneront vers l'impression des cellules, moins coûteuse et respectueuse de l'environnement. Moins gourmands en énergie pendant leur fabrication, les films pourront être intégralement recyclés. L’impression des cellules sera le procédé favorisé par rapport au spray car il permet de superposer plus vite des couches très fines ce qui améliore l’efficacité de la récupération d’énergie.

Ces facteurs permettent d'élaborer les scénarios suivants.

IV-3-2 - Scénario 1 - Les panneaux solaires imprimés subviennent à l’alimentation en électricité du continent africain

Le prix de revient des panneaux solaires est devenu très accessible. Les pays en voie de développement installent des panneaux solaires imprimés sur des hectares de zones désertiques et inhabitées. Il existent même des "tapis" solaires qui peuvent être déroulés sur des kilomètres et transportés plus facilement que les panneaux. Dans ces pays, l’ensoleillement est tel qu’il suffit pour subvenir aux besoins énergétiques de la population.

Risque associé à ce scénario :

• Une catastrophe naturelle qui empêche le rayonnement du soleil (nuages opaques). Peu probable, ce risque aurait un impact fort sur l’efficacité des panneaux photovoltaïques.

IV-3-3 - Scénario 2 - Une voiture électrique entièrement alimentée par un système révolutionnaire de carrosserie photovoltaïque imprimée

La recherche sur les encres contenant des matériaux organiques à propriété photovoltaïque aboutit à une innovation spectaculaire : l’encre en question peut servir de peinture pour la carrosserie des voitures. L’électricité produite par le matériau organique est stockée puis redistribuée dans les batteries qui font rouler la voiture. Attention cependant à vérifier le niveau des batteries avant de sortir par temps de pluie !

Risques associés à ce scénario :

• La politique environnementale est dans tous les esprits : la voiture électrique est un bon investissement. Risque positif qui devrait exister un jour ou l’autre.
• Les nanoparticules sont des composés pas encore bien maîtrisés par l’industrie : durée de vie, fixation, volatilité,... Des législations pourraient freiner le développement de ce type de peinture. Risque probable sauf si les résultats de la recherche permettent de maîtriser ces paramètres.

Risque associé à ces deux scénarios

• Les investisseurs sont intéressés par d’autres techniques de production des cellules photovoltaïques. De nombreux projets d’installation de panneaux ou des projets de recherche sont abandonnés. Ce risque peut avoir un impact fort car en l'absence de fonds, il est difficile de concrétiser des projets.

IV-3-4 - Scénario 3 - Des panneaux solaires imprimés moins efficaces que les panneaux fabriqués par d'autres procédés

Les travaux de recherche n'entraînent pas de progrès significatifs en termes de stabilité et d'efficacité des semi-conducteurs. L'impression des cellules photovoltaïques ne perce pas sur le marché. De plus, apparaissent de nouveaux procédés de récupération d’énergie solaire plus efficaces et plus simples à fabriquer. La production de masse de grands panneaux de cellules imprimées, jugée moins rentable, n'intéresse plus. Enfin, le procédé spray qui utilise les mêmes semi-conducteurs et donne la même efficacité fait disparaître le marché des cellules imprimées car, créé antérieurement, ce procédé est mieux maîtrisé.

V - Conclusion

Les cellules photovoltaïques en couches minces sur support flexible gagnent des parts de marché. En effet, les procédés d'impression autorisent des fabrications en continu et non en plaquettes, ce qui assure une vitesse de production plus importante.

Par ailleurs, grâce à de nombreux investissements, la recherche très active permet un développement considérable de diverses technologies. Aujourd’hui, le marché des films fins n’est pas encore réellement dominé par une technologie particulière. Différents pays, centres de recherches et entreprises cherchent une solution économe et efficace pour une future domination du marché.

La dépose de composés électroniques et de nanoparticules offre de nouvelles perspectives au secteur de l’impression.

VI - Bibliographie - Webographie

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