Une cellule solaire en couche mince ou film photovoltaïque ou encore couche mince photovoltaïque est une technologie de cellules photovoltaïques de deuxième génération, consistant à l'incorporation d'une ou plusieurs couches minces (ou TF pour ) de matériau photovoltaïque sur un substrat, tel que du verre, du plastique ou du métal. Les couches minces photovoltaïques commercialisées actuellement utilisent plusieurs matières, notamment le tellurure de cadmium (de formule CdTe), le diséléniure de cuivre-indium-gallium (CIGS) et le silicium amorphe (a-Si, TF-Si).
L'épaisseur du film varie de quelques nanomètres (nm) à quelques dizaines de micromètres (µm), ce qui demeure beaucoup plus fin que la technologie concurrente : la cellule solaire conventionnelle en silicium cristallin de première génération (c-Si) utilisant des plaques d'une épaisseur pouvant atteindre . Cela permet aux cellules en film mince d'être flexibles et plus légères. Elles sont utilisées dans les systèmes photovoltaïques intégrés aux bâtiments et dans du vitrage photovoltaïque semi-transparent qui peut être laminé sur les fenêtres. D'autres applications commerciales utilisent des panneaux solaires rigides à couche mince (intercalés entre deux vitres) dans certaines des plus grandes centrales photovoltaïques du monde.
La technologie des films photovoltaïques a jusque-là été moins chère mais moins efficace que la technologie c-Si conventionnelle. Cependant, elle s'est considérablement améliorée et l'efficacité des cellules en couche de tellurure de cadmium (CdTe) et diséléniure de cuivre-indium-gallium (CIGS) de laboratoire dépasse les 21 %, surpassant le silicium polycristallin, le matériau actuellementu dominant dans la plupart des systèmes solaires photovoltaïques. Les tests de longévité accélérés des dispositifs de couches minces dans des conditions de laboratoire ont montré une dégradation un peu plus rapide que celle du silicium, où une durée de 20 ans ou plus est généralement attendue. Malgré ces améliorations, la part de marché des couches minces n'a jamais atteint plus de 20 % au cours des deux dernières décennies et a diminué ces dernières années à environ 9 % des installations photovoltaïques mondiales en 2013.
D'autres technologies de films photovoltaïques encore au stade de la recherche ou d'une disponibilité commerciale limitée sont souvent désignées comme cellules photovoltaïques émergentes ou de troisième génération et comprennent des cellules solaires organiques, sensibilisées par un colorant, ainsi que des boites quantiques, du sulfure de cuivre zinc étain, des nanocristaux, des micromorphes et des pérovskites.
Histoire vignette|Part de marché des technologies couches minces en termes de production annuelle depuis 1980 Les cellules en couches minces sont bien connues depuis la fin des années 1970, qui ont vu des calculettes solaires alimentées par une petite bande de silicium amorphe sur le marché.
De très grands dispositifs de ces technologies sont disponibles dans des Installations photovoltaïques intégrées au bâti et des systèmes de recharge de véhicules.
Bien que la technologie des films photovoltaïques soit prédite à des avancées significatives sur le marché et doive dépasser à long terme la technologie conventionnelle dominante du silicium cristallin (c-Si)., sa part de marché a baissé pendant plusieurs années. Alors qu'en 2010, alors qu'il y avait une pénurie de modules photovoltaïques conventionnels, les couches minces représentaient 15 % du marché global, elles sont revenues à 8 % en 2014 et 4,5 % en 2019. Certaines sources projettent un marché de de dollars en 2029, soit plus du double de sa taille en 2020, à savoir, .
Matériaux gauche|vignette|170x170px|Coupe transversale d'une cellule TF Les technologies des films photovoltaïques réduisent la quantité de matière active dans une cellule. La plupart des matériaux actifs sont pris en sandwich entre deux vitres. Les panneaux en couches minces sont environ deux fois plus lourds que les panneaux en silicium cristallin qui n'ont qu'une couche de verre, mais ils ont un impact écologique moindre (déterminé par leur analyse du cycle de vie). La majorité des panneaux de film ont des rendements de conversion inférieurs de 2 à 3 points de pourcentage à ceux du silicium cristallinDatasheets of the market leaders: First Solar for thin film, Suntech and SunPower for crystalline silicon. Le tellurure de cadmium (CdTe), le Séléniure de cuivre, d'indium et de gallium (CIGS) et le silicium amorphe (a-Si) sont trois technologies des couches minces pour les applications extérieures.
Tellurure de cadmium
Le tellurure de cadmium (CdTe) est la technologie à couches minces prédominante. Avec environ 5 % de la production photovoltaïque mondiale, elle représente plus de la moitié du marché des couches minces. L'efficacité en laboratoire de la cellule a également augmenté de manière significative ces dernières années et est comparable à celle des couches minces CIGS et proche de l'efficacité du silicium multicristallin depuis 2013. En outre, le CdTe a le le plus bas de toutes les technologies photovoltaïques produites en série, qui peut se révéler être de huit mois dans certains endroits favorables.
Bien que la toxicité du cadmium ne soit pas vraiment un problème et que les préoccupations environnementales aient leur solution avec le recyclage des modules CdTe en fin de vie, il subsiste des incertitudes et l'opinion publique reste sceptique quant à cette technologie. L'utilisation de matériaux rares peut également devenir un facteur limitant de l'évolutivité industrielle de la technologie des couches minces CdTe. La rareté du tellure, dont le tellurure est la forme anionique, est comparable à celle du platine dans la croûte terrestre et contribue de manière significative au coût du module..
Séléniure de cuivre indium gallium
Une cellule solaire au séléniure de cuivre, d'indium et de gallium ou une cellule CIGS utilise un absorbeur en cuivre, indium, gallium, séléniure (CIGS), tandis que les variantes sans gallium du matériau semi-conducteur sont abrégées CIS. Il s'agit de l'une des trois technologies courantes de couches minces, avec une efficacité en laboratoire supérieure à 20 % et une part de 2 % sur le marché global du PV en 2013Fraunhofer ISE, Photovoltaics report, July 2014, p. 19, http://www.ise.fraunhofer.de/en/downloads-englisch/pdf-files-englisch/photovoltaics-report-slides.pdf. Les méthodes conventionnelles de fabrication utilisent le processus sous vide, et la co-évaporation et la pulvérisation. En 2008, IBM et Tokyo Ohka Kogyo Co. Ltd. (TOK) ont annoncé qu'ils avaient développé un nouveau processus de fabrication basé sur des solutions, sans mise sous vide, pour les cellules CIGS et visaient des rendements de 15 % et au-delàIBM pressrelease IBM and Tokyo Ohka Kogyo Turn Up Watts on Solar Energy Production, June 16, 2008.
L'imagerie hyperspectrale a été utilisée pour caractériser ces cellules. Des chercheurs de l'IRDEP (Institut de Recherche et Développement en Énergie Photovoltaïque) en collaboration avec Photon etc.¸ ont pu déterminer le dédoublement du niveau de quasi-Fermi avec une cartographie de photoluminescence tandis que les données d'électroluminescence ont été utilisées pour dériver l'efficacité quantique externe (EQE). En outre, grâce à une expérience de cartographie par courant induit par faisceau lumineux (LBIC), l'EQE d'une cellule solaire CIGS microcristalline a pu être déterminé en tout point du champ de vision.
En , l'efficacité record de conversion pour une cellule CIGS de laboratoire a été établie à 22,9 %.
Silicium Trois types de cellules à base de silicium dominent : Les cellules de silicium amorphe Les cellules tandem amorphes / microcristallines (micromorphe) Le silicium polycristallin en couche mince sur verre.
Silicium amorphe
vignette|Ligne de production solaire photovoltaïque roll-to-roll United Solar Ovonic d'une capacité annuelle de 30 MW Le silicium amorphe (a-Si) est une forme allotropique non cristalline de silicium et la technologie de couches minces la plus développée à ce jour. Le silicium en couches minces est une alternative au silicium cristallin conventionnel sur tranche (ou masse). Bien que les cellules sur films CdTe et CIS à base de chalcogénure aient produit des résultats prometteurs en laboratoire, l'industrie garde toujours de l'intérêt pour le procédé sur film de silicium. Les dispositifs à base de silicium présentent moins de problèmes que les procédés concurrents : CdTe a à craindre la toxicité et l'humidité et les cellules CIS, les forts coûts de revient dus à la complexité des matériaux. À cela, il faut rajouter la résistance politique à l'utilisation de matériaux non écologiques dans la production d'énergie solaire, qui ne concerne pas le silicium standard. vignette|Film aérospatial photovoltaïque solaire flexible de la société United Solar Ovonic Ce type de cellule en couche mince est principalement fabriqué par une technique appelée dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. Il utilise un mélange gazeux de silane (SiH4) et d'hydrogène pour déposer une très fine couche de seulement 1 micromètre (µm) de silicium sur un substrat, tel que du verre, du plastique ou du métal, préalablement recouvert d'une couche d'oxyde conducteur transparent. D'autres procédés sont utilisés pour déposer du silicium amorphe sur un substrat comme les techniques de pulvérisation et de dépôt chimique en phase vapeur avec un fil chaudPhotovoltaics. Engineering.Com (July 9, 2007). Retrieved on January 19, 2011..
Le silicium amorphe (a-Si) cumule les qualités, en tant que matériau pour les cellules solaires, car il est abondant et non toxique. De plus, il nécessite une température de traitement basse et permet une production évolutive sur un substrat flexible et peu coûteux avec peu de matériau de silicium requis. De surcroit sa bande interdite de (eV) est large et absorbe également une très large gamme du spectre lumineux, depuis l'infrarouge à certains ultraviolets et fonctionne très bien à faible lumière. La cellule génère de l'énergie même tôt le matin, ou en fin d'après-midi et les jours nuageux et pluvieux, à la différence des cellules conventionnelles c-Si, nettement moins efficaces en lumière du jour diffuse et indirecte.
Cependant, une cellule a-Si subit une baisse significative d'efficacité de 10 à 30 % au cours des six premiers mois de fonctionnement. C'est ce qu'on appelle l'effet Staebler-Wronski - une perte singulière de puissance électrique due aux changements de photoconductivité et de conductivité dans l'obscurité en raison de l'exposition prolongée à la lumière du soleil. Cette dégradation, parfaitement réversible grace à un recuit ou une chauffe au-dessus de 150 °C, n'impacte pas les cellules solaires c-Si conventionnelles.
La structure électronique de base est la jonction p-i-n (d'une diode PIN). La structure amorphe du a-Si implique un désordre inhérent élevé et des liaisons pendantes, ce qui en fait un mauvais conducteur pour les porteurs de charge. Ces liaisons agissent comme des centres de recombinaison qui réduisent sévèrement la durée de vie des porteurs. Une structure p-i-n est généralement utilisée plutôt qu'une structure n-i-p. En effet, la mobilité des électrons dans le silicium amorphe hydrogéné (SiaH ou ) est environ une ou deux grandeurs de plus que celle des trous, et donc le taux de collecte des électrons se déplaçant du contact de type n vers le contact de type p est meilleur que celui des trous se déplaçant du contact de type p vers le contact de type n. Par conséquent, la couche de type p doit être placée en haut, là où l'intensité lumineuse est la plus forte, afin que la majorité des porteurs de charge traversant la jonction soient des électrons.
Cellule tandem utilisant a-Si/μc-Si