L'élément clé de la technologie photovoltaïque est la cellule solaire photovoltaïque. Le développement des cellules solaires photovoltaïques peut être grossièrement divisé en trois générations. La première génération est celle des cellules solaires au silicium ; la deuxième génération est constituée de cellules solaires à couches minces; les nouvelles technologies telles que les cellules à concentration de haute puissance, les cellules solaires organiques, les cellules solaires flexibles et les nano-cellules solaires à colorant sont collectivement appelées cellules solaires de troisième génération. À l'heure actuelle, le courant dominant est la première génération de cellules solaires à base de silicium, et la part de marché des cellules à couche mince augmente progressivement. À l'exception des cellules à concentrateur de haute puissance, la plupart des cellules de troisième génération sont encore au stade de la recherche et du développement en laboratoire.
Cellules solaires au silicium
Parmi les cellules solaires au silicium, la technologie du silicium monocristallin est la plus mature. L'efficacité et le coût de ces cellules sont principalement affectés par leurs procédés de fabrication. Le processus de fabrication est principalement divisé en plusieurs étapes telles que la coulée de lingots, le tranchage, la diffusion, la texturation, la sérigraphie et le frittage. L'efficacité de conversion photoélectrique des cellules solaires produites par ce processus courant est généralement de 16 % -18 % .
L'efficacité de conversion des cellules solaires en silicium monocristallin est la plus élevée, mais le coût est également plus élevé. Les cellules solaires en silicium polycristallin peuvent très bien réduire les coûts. L'avantage est qu'il peut fabriquer directement des lingots de silicium carrés de grande taille adaptés à une production à grande échelle. L'équipement est relativement simple, de sorte que le processus de fabrication est simple, économe en énergie et en silicone. Les besoins en matériaux sont également relativement faibles.
En plus de réduire le coût des matériaux et le coût des cellules solaires, cela passe principalement par deux aspects : l'un consiste à réduire les consommables, comme la réduction de l'épaisseur des tranches de silicium ; l'autre est d'améliorer l'efficacité de la conversion. Les moyens d'améliorer l'efficacité comprennent les aspects suivants : Le premier consiste à augmenter l'absorption de la lumière, comme la texturation de surface, la préparation de couches anti-reflets et la réduction de la largeur de l'électrode avant. La seconde consiste à réduire la recombinaison des porteurs photogénérés et à améliorer l'utilisation des photons, comme la technologie de passivation des émetteurs. Le troisième est de réduire la résistance et d'augmenter l'absorption du photocourant par l'électrode, comme le dopage de partition et la technologie de champ électrique arrière.
Le record actuel d'efficacité de conversion photoélectrique des cellules solaires en silicium monocristallin est de 24,7 %, créé par les cellules solaires à structure PERL de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud. Ses caractéristiques techniques sont les suivantes : la concentration de dopage au phosphore sur la surface du silicium est faible pour réduire la recombinaison de la surface et éviter l'existence de « couches mortes » en surface ; une diffusion locale à haute concentration est utilisée sous les électrodes de surface avant et arrière pour réduire la recombinaison de la zone d'électrode et former un bon contact ohmique ; l'électrode de surface avant est rétrécie par le processus de photolithographie pour augmenter la zone d'absorption de la lumière ; l'électrode de surface avant utilise une combinaison de métaux plus correspondants tels que le titane, le palladium et l'argent pour réduire la résistance de contact entre l'électrode et le silicium ; les surfaces avant et arrière de la batterie utilisent du SiO2 et des méthodes de contact ponctuel pour réduire la recombinaison de surface des cellules. Cependant, la technologie n'est pas encore industrialisée.
En plus de la technologie PERL, d'autres technologies peuvent également être utilisées pour améliorer l'efficacité de la conversion. Tels que la cellule en daim rainurée de surface de BP Solar et l'électrode arrière (EWT) grâce à la technologie. Le premier réduit principalement la largeur de l'électrode avant grâce au processus de rainurage au laser et augmente la zone d'absorption de la lumière solaire, et la production à grande échelle peut atteindre une efficacité de 18,3 % ; La face arrière, augmentant ainsi la zone d'absorption de la lumière de la face avant, peut atteindre une efficacité de 21,3 % .
Cellules solaires à couche mince
Les cellules solaires en silicium cristallin sont très efficaces et dominent toujours dans les applications à grande échelle et la production industrielle. Cependant, du fait du prix relativement élevé des matériaux en silicium, il est très difficile de réduire fortement son coût. Afin de trouver des alternatives aux cellules en silicium cristallin, des cellules solaires à couches minces à moindre coût ont vu le jour. Les batteries à couches minces courantes sont les batteries à couches minces à base de silicium, les batteries à couches minces au tellurure de cadmium (CdTe) et les batteries à couches minces au séléniure de cuivre-indium-gallium (CIGS).
L'épaisseur des cellules à couches minces à base de silicium n'est que de 2 microns. Par rapport aux cellules en silicium cristallin d'une épaisseur d'environ 180 microns, la quantité de matériau en silicium n'est que d'environ 1,5 % de celle des cellules en silicium cristallin, et le coût est faible. Selon le nombre de jonctions PN incluses, les cellules à couches minces à base de silicium sont divisées en cellules à simple jonction, cellules à double jonction et cellules à jonctions multiples. Différentes jonctions PN peuvent absorber la lumière du soleil de différentes longueurs d'onde. À l'heure actuelle, le rendement le plus élevé des cellules à simple jonction peut atteindre 7 % et les cellules à double jonction peuvent atteindre 10 %.
En raison du bon taux d'absorption de la lumière du matériau, l'efficacité de conversion des cellules à couches minces en tellurure de cadmium est supérieure à celle des cellules à couches minces à base de silicium, et l'efficacité du courant peut atteindre 12 %. Cependant, l'élément cadmium a des effets cancérigènes et les réserves naturelles de tellure sont limitées, ce qui limite le développement à long terme de cette pile.
Les batteries à couche mince de séléniure de cuivre-indium-gallium sont considérées comme la future direction de développement des batteries à couche mince à haut rendement, qui peuvent améliorer le taux d'absorption de la lumière du soleil en ajustant le processus de fabrication, améliorant ainsi l'efficacité de conversion. À l'heure actuelle, l'efficacité de conversion du laboratoire peut atteindre 20,1 % et l'efficacité du produit peut atteindre 13-14 %, ce qui est le plus élevé parmi toutes les batteries à couche mince.
Cellules solaires de troisième génération
Les cellules de troisième génération peuvent théoriquement atteindre des rendements de conversion plus élevés. À ce stade, à l'exception des cellules du concentrateur, la plupart d'entre elles sont encore au stade de la recherche en laboratoire.
Les cellules de concentrateur utilisent généralement des matériaux semi-conducteurs III-V, principalement parce que les semi-conducteurs III-V ont une résistance à haute température beaucoup plus élevée que le silicium, ont toujours une efficacité de conversion photoélectrique élevée sous un éclairage élevé et la structure multi-jonction rend leur spectre d'absorption et le spectre de la lumière du soleil sont proches de la même, et l'efficacité de conversion théorique peut atteindre 68 pour cent. À l'heure actuelle, trois jonctions PN sont formées par trois matériaux semi-conducteurs différents, le germanium, l'arséniure de gallium et le phosphore gallium indium. Si une production à grande échelle est réalisée, l'efficacité peut atteindre plus de 40 %.
Les cellules solaires sont conditionnées dans des modules solaires, et l'application des différentes cellules solaires dépend de leurs propres caractéristiques et de l'évolution de la demande du marché. Au début, l'énergie solaire était principalement utilisée dans les stations de base de communication et les satellites artificiels, puis est progressivement entrée dans le domaine civil, comme les toits solaires. Dans ces scénarios, la zone d'installation est petite et l'exigence de densité d'énergie est élevée, de sorte que les modules en silicium cristallin occupent la principale part de marché. Avec le développement de centrales solaires à grande échelle dans le désert et de bâtiments photovoltaïques, le coût global a progressivement remplacé la densité d'énergie en tant que facteur important à prendre en compte, et l'application de batteries à couche mince est en augmentation. En outre, l'application de différentes technologies est également affectée par d'autres facteurs tels que l'environnement d'utilisation et les conditions climatiques.
