Efficacité des cellules solaires

L’efficacité des cellules solaires se réfère à la partie de l’énergie sous forme de lumière solaire qui peut être convertie en électricité via le photovoltaïque.

L’efficacité des cellules solaires utilisées dans un système photovoltaïque, en combinaison avec la latitude et le climat, détermine la production annuelle d’énergie du système. Par exemple, un panneau solaire avec une efficacité de 20% et une superficie de 1 m2 produira 200 W aux conditions d’essai standard, mais il peut produire plus lorsque le soleil est haut dans le ciel et produira moins dans les conditions nuageuses ou lorsque le soleil est bas dans le ciel. Dans le centre du Colorado, qui reçoit un ensoleillement annuel de 5,5 kWh / m2 / jour (ou 230 W / m2), on peut s’attendre à ce qu’un tel panneau produise 440 kWh d’énergie par an. Cependant, au Michigan, qui ne reçoit que 3,8 kWh / m2 / jour, le rendement énergétique annuel passera à 280 kWh pour le même panneau. Aux latitudes européennes plus septentrionales, les rendements sont nettement inférieurs: rendement énergétique annuel de 175 kWh dans le sud de l’Angleterre.

Plusieurs facteurs influent sur l’efficacité de conversion d’une cellule, notamment son efficacité de réflectance, son efficacité thermodynamique, son efficacité de séparation des porteurs de charge et ses valeurs d’efficacité de conduction. Comme ces paramètres peuvent être difficiles à mesurer directement, d’autres paramètres sont mesurés, y compris l’efficacité quantique, le rapport COV et le facteur de remplissage. Les pertes de réflectance sont prises en compte par la valeur d’efficacité quantique, car elles affectent «l’efficacité quantique externe». Les pertes de recombinaison sont expliquées par le rendement quantique, le rapport COV et les valeurs de facteur de remplissage. Les pertes résistives sont principalement attribuables à la valeur du facteur de remplissage, mais elles contribuent également aux valeurs d’efficacité quantique et de ratio de COV.

En décembre 2014, l’utilisation de cellules solaires à concentrateur à jonctions multiples, issues des efforts de collaboration de Soitec, CEA-Leti, en France et de Fraunhofer ISE, en Allemagne, a permis d’atteindre le record mondial d’efficacité des cellules solaires à 46,0%.

Facteurs affectant l’efficacité de la conversion d’énergie
Les facteurs affectant l’efficacité de la conversion d’énergie ont été exposés dans un document de référence rédigé par William Shockley et Hans Queisser en 1961. Voir la limite de Shockley-Queisser pour plus de détails.

Limite d’efficacité thermodynamique et limite de pile infinie
Si on a une source de chaleur à la température Ts et un radiateur plus froid à la température Tc, la valeur maximale théoriquement possible pour le rapport travail (ou puissance électrique) obtenu à la chaleur fournie est de 1-Tc / Ts donnée par un moteur thermique Carnot . Si nous prenons 6000 K pour la température du soleil et 300 K pour les conditions ambiantes sur terre, cela équivaut à 95%. En 1981, Alexis de Vos et Herman Pauwels ont montré que cela était possible avec une pile d’un nombre infini de cellules avec des bandes interdites allant de l’infini (les premières cellules rencontrées par les photons entrants) à zéro, avec une tension dans chaque cellule très proche à la tension à vide, égale à 95% de la bande interdite de cette cellule et à un rayonnement de 6000 K provenant de toutes les directions. Cependant, l’efficacité de 95% ainsi obtenue signifie que la puissance électrique absorbée est de 95% de la quantité nette de lumière absorbée – la pile émet un rayonnement à une température différente de zéro et ce rayonnement doit être soustrait du rayonnement entrant lors du calcul de la quantité de chaleur transférée et l’efficacité. Ils ont également considéré le problème plus pertinent de la maximisation de la puissance de sortie d’une pile illuminée de toutes les directions par un rayonnement de corps noir de 6000 K. Dans ce cas, les tensions doivent être abaissées à moins de 95% de la bande interdite (le pourcentage n’est pas constant sur toutes les cellules). L’efficacité théorique maximale calculée est de 86,8% pour un empilement d’un nombre infini de cellules, en utilisant le rayonnement solaire concentré entrant. Lorsque le rayonnement entrant ne provient que d’une zone du ciel de la taille du soleil, la limite d’efficacité chute à 68,7%.

Efficacité ultime
Les systèmes photovoltaïques normaux ne possèdent cependant qu’une seule jonction pn et sont donc soumis à une limite d’efficacité inférieure, appelée “efficacité ultime” par Shockley et Queisser. Les photons ayant une énergie inférieure à la bande interdite du matériau absorbant ne peuvent pas générer une paire électron-trou, de sorte que leur énergie n’est pas convertie en sortie utile et ne génère de la chaleur que si elle est absorbée. Pour les photons ayant une énergie supérieure à l’énergie de la bande interdite, seule une fraction de l’énergie au-dessus de la bande interdite peut être convertie en sortie utile. Lorsqu’un photon de plus grande énergie est absorbé, l’énergie excédentaire au-dessus de la bande interdite est convertie en énergie cinétique de la combinaison de porteurs. L’énergie cinétique en excès est convertie en chaleur par des interactions entre phonons lorsque l’énergie cinétique des porteurs ralentit à la vitesse d’équilibre. Les cellules à jonction simple traditionnelles ont une efficacité théorique maximale de 33,16%.

Les cellules solaires avec des matériaux absorbeurs à bandes multiples améliorent l’efficacité en divisant le spectre solaire en plus petites cellules où la limite d’efficacité thermodynamique est plus élevée pour chaque bac.

Efficacité quantique
Comme décrit ci-dessus, lorsqu’un photon est absorbé par une cellule solaire, il peut produire une paire électron-trou. L’un des porteurs peut atteindre la jonction pn et contribuer au courant produit par la cellule solaire; un tel transporteur est dit être collecté. Ou, les porteurs se recombinent sans contribution nette au courant de la cellule.

L’efficacité quantique désigne le pourcentage de photons convertis en courant électrique (c’est-à-dire les porteuses collectées) lorsque la cellule est utilisée dans des conditions de court-circuit. Le rendement quantique “externe” d’une cellule solaire en silicium inclut l’effet des pertes optiques telles que la transmission et la réflexion.

En particulier, certaines mesures peuvent être prises pour réduire ces pertes. Les pertes de réflexion, qui peuvent représenter jusqu’à 10% de l’énergie incidente totale, peuvent être considérablement réduites grâce à une technique appelée texturation, une méthode de piégeage de la lumière qui modifie le trajet de lumière moyen.

L’efficacité quantique est exprimée de la manière la plus utile en tant que mesure spectrale (c’est-à-dire en fonction de la longueur d’onde ou de l’énergie du photon). Certaines longueurs d’onde étant absorbées plus efficacement que d’autres, les mesures spectrales du rendement quantique peuvent fournir des informations précieuses sur la qualité du volume et des surfaces des semi-conducteurs. L’efficacité quantique à elle seule n’est pas la même que l’efficacité globale de la conversion d’énergie, car elle ne transmet pas d’informations sur la fraction de puissance convertie par la cellule solaire.

Point de puissance maximum
Une cellule solaire peut fonctionner sur une large gamme de tensions (V) et de courants (I). En augmentant continuellement la charge résistive sur une cellule irradiée de zéro (court-circuit) à une valeur très élevée (circuit ouvert), on peut déterminer le point de puissance maximum, le point maximisant V × I; c’est-à-dire la charge pour laquelle la cellule peut fournir une puissance électrique maximale à ce niveau d’irradiation. (La puissance de sortie est nulle dans les deux extrêmes de court-circuit et de circuit ouvert).

Une cellule solaire en silicium monocristallin de haute qualité, à une température de cellule de 25 ° C, peut produire un circuit ouvert (COV) de 0,60 V. La température de la cellule en plein soleil, même avec une température de l’air de 25 ° C, sera probablement proche de 45 ° C, réduisant la tension à vide à 0,55 V par cellule. La tension chute modestement, avec ce type de cellule, jusqu’à l’approche du courant de court-circuit (ISC). La puissance maximale (avec une température de cellule de 45 ° C) est généralement produite avec 75% à 80% de la tension à vide (0,43 V dans ce cas) et 90% du courant de court-circuit. Cette sortie peut représenter jusqu’à 70% du produit VOC x ISC. Le courant de court-circuit (ISC) d’une cellule est presque proportionnel à l’éclairement, tandis que la tension en circuit ouvert (VOC) ne chute que de 10% avec une perte d’éclairage de 80%. Les cellules de qualité inférieure ont une chute de tension plus rapide avec un courant croissant et ne peuvent produire que 1/2 COV à 1/2 ISC. La production d’énergie utilisable pourrait ainsi passer de 70% du produit VOC x ISC à 50%, voire même 25%. Les fournisseurs qui évaluent leur “énergie” de cellule solaire uniquement en tant que COV x ISC, sans donner de courbes de charge, peuvent fausser gravement leur performance réelle.

Le point de puissance maximum d’un photovoltaïque varie avec l’éclairage incident. Par exemple, l’accumulation de poussière sur les panneaux photovoltaïques réduit le point de puissance maximum. Pour les systèmes suffisamment grands pour justifier la dépense supplémentaire, un suiveur de point de puissance maximum suit la puissance instantanée en mesurant continuellement la tension et le courant (et donc le transfert de puissance) et utilise ces informations pour ajuster dynamiquement la charge afin de transférer la puissance maximale , indépendamment de la variation de l’éclairage.

Facteur de remplissage
Le facteur de remplissage (FF) est un autre terme déterminant du comportement global d’une cellule solaire. Ce facteur est une mesure de la qualité d’une cellule solaire. Il s’agit de la puissance disponible au point de puissance maximale (Pm) divisée par la tension en circuit ouvert (COV) et le courant de court-circuit (ISC):

Le facteur de remplissage peut être représenté graphiquement par le balayage IV, où il représente le rapport des différentes zones rectangulaires.

Le facteur de remplissage est directement affecté par les valeurs de la série de cellules, les résistances de shunt et les pertes de diodes. L’augmentation de la résistance shunt (Rsh) et la diminution de la résistance série (Rs) conduisent à un facteur de remplissage plus élevé, ce qui se traduit par une plus grande efficacité et rapproche la puissance de sortie de la cellule de son maximum théorique.

Les facteurs de remplissage typiques vont de 50% à 82%. Le facteur de remplissage pour une cellule PV au silicium normale est de 80%.

Comparaison
L’efficacité de conversion d’énergie est mesurée en divisant la sortie électrique par la puissance lumineuse incidente. Les facteurs influençant la sortie incluent la distribution spectrale, la distribution spatiale de la puissance, la température et la charge résistive. La norme CEI 61215 est utilisée pour comparer les performances des cellules et est conçue autour de la température et des conditions standard (terrestre, tempérée): éclairement énergétique de 1 kW / m2, une distribution spectrale proche du rayonnement solaire par AM (airmass) de 1,5 et une température de cellule de 25 ° C. La charge résistive varie jusqu’à ce que le point de puissance maximale ou minimale (MPP) soit atteint. La puissance à ce stade est enregistrée en tant que Watt-Peak (Wp). La même norme est utilisée pour mesurer la puissance et l’efficacité des modules PV.

La masse d’air affecte le rendement. Dans l’espace, où il n’y a pas d’atmosphère, le spectre du soleil est relativement non filtré. Cependant, sur terre, l’air filtre la lumière entrante, modifiant ainsi le spectre solaire. L’effet de filtrage s’étend de la masse d’air 0 (AM0) dans l’espace à environ la masse d’air 1,5 sur Terre. En multipliant les différences spectrales par le rendement quantique de la cellule solaire en question, on obtient l’efficacité. L’efficacité terrestre est généralement supérieure à l’efficacité spatiale. Par exemple, une cellule solaire en silicium dans l’espace pourrait avoir un rendement de 14% à AM0, mais de 16% sur Terre à AM 1.5. Notez, cependant, que le nombre de photons incidents dans l’espace est considérablement plus grand, de sorte que la cellule solaire pourrait produire beaucoup plus de puissance dans l’espace, malgré le faible rendement indiqué par le pourcentage réduit de l’énergie incidente totale capturée.

Les rendements des cellules solaires varient de 6% pour les cellules solaires à base de silicium amorphe à 44,0% pour les cellules de production à jonctions multiples et à 44,4% pour les matrices multiples assemblées dans un boîtier hybride. L’efficacité de conversion d’énergie des cellules solaires pour les cellules solaires multicristallines Si disponibles dans le commerce est d’environ 14-19%. Les cellules les plus performantes n’ont pas toujours été les plus économiques – par exemple, une cellule multi-jonction efficace à 30% à base de matériaux exotiques tels que l’arséniure de gallium ou le séléniure d’indium à faible volume pourrait coûter cent fois plus cellule dans la production de masse, tout en fournissant seulement environ quatre fois la production.

Cependant, il existe un moyen de “stimuler” l’énergie solaire. En augmentant l’intensité lumineuse, les supports photogénérés sont généralement augmentés, ce qui augmente l’efficacité jusqu’à 15%. Ces systèmes dits “concentrateurs” n’ont commencé à devenir compétitifs que grâce au développement de cellules GaAs à haut rendement. L’augmentation de l’intensité est généralement obtenue en utilisant une optique de concentration. Un système de concentrateur typique peut utiliser une intensité lumineuse de 6 à 400 fois supérieure à celle du soleil et augmente l’efficacité d’une cellule de GaAs à un soleil de 31% à 1,5 à 35%.

Une méthode courante utilisée pour exprimer les coûts économiques consiste à calculer un prix par kilowattheure livré (kWh). L’efficacité des cellules solaires en combinaison avec l’irradiation disponible a une influence majeure sur les coûts, mais en règle générale, l’efficacité globale du système est importante. Les cellules solaires disponibles dans le commerce (à partir de 2006) ont atteint des rendements de 5 à 19%.

Les dispositifs en silicium cristallin non dopé se rapprochent de l’efficacité limite théorique de 29,43%. En 2017, une efficacité de 26,63% a été obtenue dans une cellule à hétérojonction de silicium amorphe / silicium cristallin qui place des contacts positifs et négatifs à l’arrière de la cellule.

Récupération d’énergie
Le délai de récupération d’énergie est défini comme le temps de récupération nécessaire pour générer l’énergie dépensée pour la fabrication d’un module photovoltaïque moderne. En 2008, il était estimé qu’il s’agissait de 1 à 4 ans selon le type et l’emplacement du module. Avec une durée de vie typique de 20 à 30 ans, cela signifie que les cellules solaires modernes seraient des producteurs d’énergie nets, c’est-à-dire qu’elles produiraient plus d’énergie au cours de leur vie que l’énergie dépensée pour les produire. En règle générale, les technologies à couches minces, malgré des rendements de conversion comparativement faibles, permettent de réduire considérablement les délais de récupération d’énergie par rapport aux systèmes classiques (souvent moins d’un an).

Une étude publiée en 2013 dans laquelle la littérature existante a constaté que le délai de récupération de l’énergie était compris entre 0,75 et 3,5 ans, les cellules à couches minces se situant à l’extrémité inférieure et les cellules à cellules multiples ayant un délai de récupération de 1,5 à 2,6 ans. Un examen effectué en 2015 a évalué le délai de récupération de l’énergie et l’EROI des systèmes photovoltaïques solaires. Dans cette méta-étude, qui utilise un ensoleillement de 1700 kWh / m2 / an et une durée de vie du système de 30 ans, on a trouvé des EROI harmonisés compris entre 8,7 et 34,2. Le temps de retour énergétique harmonisé moyen a varié de 1,0 à 4,1 ans. Les dispositifs en silicium cristallin atteignent en moyenne une période de récupération énergétique de 2 ans.

Comme toute autre technologie, la fabrication de cellules solaires dépend de et suppose l’existence d’un système industriel mondial complexe. Cela comprend non seulement les systèmes de fabrication généralement pris en compte dans les estimations de l’énergie de fabrication, mais aussi les systèmes d’exploitation minière, de raffinage et de transport global, ainsi que les systèmes de support critiques à forte consommation énergétique, notamment les systèmes financiers, d’information et de sécurité. L’incertitude de cette composante énergétique confère une incertitude sur toute estimation du délai de récupération dérivée de cette estimation, considérée par certains comme significative.

Méthodes techniques pour améliorer l’efficacité

Choisir le conducteur transparent optimal
Le côté éclairé de certains types de cellules solaires, les films minces, ont un film conducteur transparent permettant à la lumière de pénétrer dans le matériau actif et de collecter les porteurs de charge générés. Typiquement, des films ayant une transmittance élevée et une conductance électrique élevée tels que l’oxyde d’indium et d’étain, des polymères conducteurs ou des réseaux de nanofils conducteurs sont utilisés à cette fin. Il existe un compromis entre une transmittance élevée et la conductance électrique. Par conséquent, la densité optimale des nanofils conducteurs ou de la structure du réseau conducteur doit être choisie pour une efficacité élevée.

Promouvoir la diffusion de la lumière dans le spectre visible
En alignant la surface réceptrice de lumière de la cellule avec des goujons métalliques de taille nanométrique, l’efficacité de la cellule peut être sensiblement augmentée, lorsque la lumière réfléchit ces goujons à un angle oblique par rapport à la cellule, augmentant ainsi la longueur du trajet de la lumière. à travers la cellule, augmentant ainsi le nombre de photons absorbés par la cellule, ainsi que la quantité de courant généré.

Les principaux matériaux utilisés pour les nano-goujons sont l’argent, l’or et l’aluminium, entre autres. Cependant, l’or et l’argent ne sont pas très efficaces car ils absorbent une grande partie de la lumière dans le spectre visible, qui contient la plus grande partie de l’énergie présente dans le soleil, réduisant ainsi la quantité de lumière atteignant la cellule. L’aluminium, quant à lui, n’absorbe que le rayonnement ultraviolet et reflète la lumière visible et la lumière infrarouge, ce qui minimise la perte d’énergie sur ce front. L’aluminium est donc capable d’augmenter l’efficacité de la cellule jusqu’à 22% (en laboratoire).

Refroidissement radiatif
Une augmentation de la température des cellules solaires d’environ 1 ° C entraîne une diminution de l’efficacité d’environ 0,45%. Pour éviter une diminution de l’efficacité due au chauffage, une couche de cristal de silice visiblement transparente peut être appliquée sur un panneau solaire. La couche de silice agit comme un corps noir thermique qui émet de la chaleur sous forme de rayonnement infrarouge dans l’espace, refroidissant la cellule jusqu’à 13 ° C.

Revêtements antireflet et textures
Les revêtements antireflet peuvent entraîner une interférence plus destructive des ondes lumineuses incidentes du soleil. Par conséquent, toute la lumière solaire serait transmise au photovoltaïque. En outre, la texturation, dans laquelle la surface d’une cellule solaire est modifiée pour que la lumière réfléchie frappe à nouveau la surface, est une autre technique utilisée pour réduire la réflexion. Ces surfaces peuvent être créées en gravant ou en utilisant la lithographie. L’ajout d’une surface arrière plate en plus de la texture de la surface avant aide à emprisonner la lumière dans la cellule pour une longueur de trajet optique plus longue.

Passivation arrière
Bien que de nombreuses améliorations aient été apportées à la face avant des cellules solaires pour la production en série, la surface arrière en aluminium freine l’amélioration de l’efficacité. L’efficacité de nombreuses cellules solaires a été favorisée par la création de cellules dites émettrices et arrière passivées (PERC). Le dépôt chimique d’un empilement de couches de passivation diélectrique sur la surface arrière, constitué d’un film mince de silice ou d’oxyde d’aluminium recouvert d’un film de nitrure de silicium, améliore l’efficacité de cellules solaires au silicium de plus de 1%. Cela aide à augmenter le rendement cellulaire pour le matériau de plaquette Cz-Si commercial à 20,2% et le rendement de cellule pour quasi-mono-Si à un record de 19,9%.

Matériaux à couche mince
Les matériaux à couche mince sont très prometteurs pour les cellules solaires en termes de coûts réduits et d’adaptabilité aux structures et cadres existants en matière de technologie. Cependant, comme les matériaux sont si minces, ils ne possèdent pas l’absorption optique que possèdent les cellules solaires en vrac. Bien que des tentatives pour corriger ce problème aient été tentées, l’accent plus important est mis sur la recombinaison superficielle des couches minces. Comme il s’agit du processus de recombinaison dominant des cellules solaires à couches minces à l’échelle nanométrique, il est crucial pour leur efficacité. L’ajout d’une fine couche passivante de dioxyde de silicium pourrait réduire la recombinaison.