Notions de base sur le photovoltaïque (1ère partie) : Maîtriser ses panneaux photovoltaïques pour un maximum d'efficacité

Pour produire de l'électricité à partir du soleil de la manière la plus adaptée à vos attentes, il est nécessaire de connaître les technologies photovoltaïques, et d'utiliser de manière appropriée les éléments d'un système. Dans cet article, publié en deux parties, nous commençons par un aperçu de la construction, les caractéristiques physiques et électriques des différents types de panneaux disponibles sur le marché.

Le photovoltaïque, parmi toutes les sources d'énergie renouvelable, est celle que nous percevons comme étant la plus proche de nous, abordable et tellement modulable qu'elle peut être utilisée aussi bien sur un appareil mobile que dans de vastes parcs solaires. Ce n'est pas par hasard si elle est la plus encouragée, même uniquement au niveau des petites installations domestiques.

Rien que dans le contexte de la maison individuelle, les restrictions énergétiques résultant de la crise d'approvisionnement de 2022 ont donné lieu à des mesures réglementaires en faveur de la mise en œuvre du « photovoltaïque de balcon » . Cela consiste en l'installation d'un panneau de 200 à 300 W sur la balustrade, et qui combiné à un onduleur, peut fournir une source d'électricité à 230 V CA, en complément du réseau électrique pour limiter la consommation de ce dernier ou pour pallier aux micro- coupures.

Lorsqu'elle est déconnectée du réseau, ce qui est également une possibilité pour une installation solaire de cette taille, cette solution peut être considérée comme une variante de ce que l'on appelle le « système photovoltaïque autonome ». Il s'agit d'un système qui peut avoir une puissance de quelques kW, mais qui fonctionne de manière autonome en fournissant de l'électricité à 230 V CA à 50 Hz, grâce à un onduleur qui n'est pas synchronisé avec la fréquence du réseau, et qui n'est pas directement connecté au réseau domestique.

Dans ces pages, nous donnerons un aperçu des éléments constitutifs d'un système photovoltaïque typique, et dans la prochaine partie, nous aborderons des exemples de solutions autonomes qui peuvent être intégrées au réseau électrique, même avec un système d'alimentation par le secteur.

Le panneau photovoltaïque

Dans un système de production d'électricité à partir du soleil, l'élément clé est le panneau photovoltaïque, puisque c'est lui qui convertit physiquement l'énergie solaire en électricité. Le reste n'est rien d'autre que de l'électronique, répartie entre un interrupteur, un chargeur de batterie et un onduleur de puissance.

Le soleil envoie en moyenne 1 367 W par m² dans l'atmosphère terrestre, ce qui correspond à plus de 50 millions de GW fournis à notre planète, soit environ 10 000 fois les besoins de l'ensemble de la population mondiale. Il s'agit donc de tirer le meilleur parti de cette énergie.

C'est du panneau solaire exclusivement que dépend la quantité d'électricité que l'on peut tirer d'un système photovoltaïque, et les conditions dans lesquelles elle est produite. C'est pourquoi la recherche s'oriente principalement vers trois objectifs, à savoir l'amélioration du rendement de conversion (c'est-à-dire plus de watts électriques à rayonnement égal), l'augmentation de l'angle utilisable pour recevoir les rayons du soleil, ainsi que l'augmentation de la durée de vie des panneaux.

Un autre facteur clé est le coût de production des panneaux photovoltaïques. Cela engendrera le coût de l'électricité produite, qui dépend également du rendement, mais pas uniquement.

Bien sûr, les prix actuels sont compétitifs, ce qui déduction faite des aides, rend le coût par watt produit comparable à celui des sources d'énergie traditionnelles. En effet, s'il y a dix ans, le coût de la puissance installée était de 5 à 6 € par Watt, aujourd'hui, il est tombé en dessous de 1 € par Watt.

Le panneau photovoltaïque convertit en électricité l'énergie du rayonnement solaire qui frappe sa surface, grâce à l'énergie qu'il possède, qui est directement proportionnelle à la fréquence et inversement à la longueur d'onde. Cela signifie que l'énergie de l'infrarouge est inférieure à celle de l'ultraviolet pour une même quantité de rayonnement.

Dans un panneau photovoltaïque, l'énergie électrique est obtenue par effet photovoltaïque à partir de structures élémentaires appelées cellules photovoltaïques. Chaque cellule est une diode semi-conductrice à jonction PN construite de manière à ce que la jonction soit exposée à la lumière et non polarisée. Dans la jonction PN, le côté P est abondant en atomes d'éléments trivalents et le côté N est riche en impuretés pentavalentes. Par conséquent, du côté P, la jonction manque d'électrons, qui sont au contraire en excès du côté N.

Lorsque les photons formant la lumière investissent une jonction PN, plus précisément la surface de la région dopée trivalente (P), ils déterminent une différence de potentiel due à l'effet photovoltaïque, puisque chaque photon qui investit un atome dopant libère un électron, qui sort de sa liaison et devient disponible pour la conduction. Dans les cellules photovoltaïques, la lumière peut atteindre la jonction PN parce que la couche N est extrêmement fine, de sorte qu'elle est transparente.

Si la jonction n'est reliée à rien, les électrons se recombinent, libérant leur énergie sous forme de chaleur, mais si l'on relie les extrémités de la jonction à un récepteur, les électrons y pénètrent et produisent un courant électrique, puis réintègrent la jonction par le côté P et se recombinent.

L'effet photovoltaïque peut être observé dans le quatrième quadrant de la courbe caractéristique de la diode à jonction PN. Le phénomène se produit, à condition que le rayonnement lumineux ait une longueur d'onde telle que l'énergie des photons soit suffisante pour vaincre celle nécessaire pour libérer les électrons de leurs liaisons. Cette énergie est égale à ce que l'on appelle le travail de sortie, égal au produit h x f, où h est la constante de Planck et f la fréquence.

Cette question est importante pour l'efficacité des cellules solaires, c'est-à-dire l'efficacité de la conversion de l'énergie lumineuse en électricité. Car en effet, la lumière dont la longueur d'onde est trop courte est perdue parce qu'elle ne peut pas libérer les électrons, tandis que la lumière dont les photons sont trop énergétiques cède trop d'énergie et les électrons s'échappent. (Là encore, seulement de la chaleur est produite).

Voici ci-dessous les techniques utilisées pour la construction des panneaux photovoltaïques, dont les principales caractéristiques sont résumées dans le Tableau 1.

Les panneaux cristallins

Les modules basés sur des cellules photovoltaïques en silicium cristallin ont été les premiers à être produits à grande échelle, et sont parmi les plus efficaces, surtout lorsqu'ils sont fabriqués avec des semi-conducteurs synthétiques tels que l'arséniure de gallium, qui est pourtant réservé aux applications militaires et aérospatiales.

Parmi les nombreux matériaux pouvant être utilisés dans la construction de modules photovoltaïques, le silicium est actuellement le plus utilisé, car il est disponible en grandes quantités sur notre planète et est largement utilisé par l'industrie électronique, qui a connu un fort développement des méthodes de raffinage, de traitement et de dopage au cours des dernières décennies.

Les déchets issus du traitement des composants électroniques peuvent être utilisés dans les panneaux photovoltaïques, car le niveau de pureté requis pour le silicium est moins élevé. Les premiers panneaux solaires (ceux de la « première génération ») étaient les panneaux dits « cristallins », qui sont fabriqués en utilisant les deux technologies actuelles, avec le semi-conducteur monocristallin (c-Si) ou le semi-conducteur polycristallin.

Le premier est fabriqué en faisant fondre le semi-conducteur et en le faisant croître sur un cristal de base qui définit l'orientation de la structure cristalline elle-même. Pour le second, on utilise un processus métallurgique qui produit une structure cristalline désordonnée dans laquelle les cristaux sont orientés de manière aléatoire.

Les cellules au silicium monocristallin ont un rendement plus élevé (elles atteignent aujourd'hui 25 %) mais coûtent plus cher. Les cellules au silicium polycristallin sont moins chères, mais leur efficacité est moindre (environ 23 %), car une partie des électrons libérés par la lumière reste emprisonnée dans la structure cristalline, et parce que l'orientation différente des cristaux fait obstacle à la lumière.

Les panneaux photovoltaïques cristallins sont fabriqués en collant plusieurs cellules solaires (généralement de 1,5 W chacune) sur une plaque, comme le montre la Figure 1, et en les connectant en série et en parallèle jusqu'à l'obtention d'une tension de 12 V, 24 V ou plus. Ils sont capables de fournir des puissances allant jusqu'à plusieurs centaines de watts.

Sachant que les panneaux sont utilisés pour charger des batteries, on veille toujours à ce que la tension délivrée soit au moins supérieure de quelques volts à celle des batteries elles-mêmes, typiquement 15 V ou 28 V. Les modules cristallins ont deux défauts, ils coûtent cher et n'ont un bon rendement que si la lumière les atteint dans la direction optimale (lorsque la lumière les frappe perpendiculairement à leur surface, avec une déviation de ±20°).

Cela signifie que leur efficacité est médiocre pendant une grande partie de la journée. Un panneau cristallin voit inévitablement ses performances se dégrader au fil du temps, ce qui signifie que son efficacité se dégrade d'environ 1 % par an en raison de l'exposition au soleil, et en moyenne, pour un panneau photovoltaïque cristallin, on observe une baisse de 20 % en 25 ans.

Le silicium monocristallin doit être ultrapur et a un coût élevé car son processus de fabrication est très complexe et nécessite des températures allant jusqu'à 1 500°C, pour faire fondre le silicium, et le cristalliser à l'état pur. Pour limiter le coût des panneaux solaires, on utilise donc du silicium polycristallin, moins performant mais aussi moins coûteux, tout en pouvant garantir une durée de vie des panneaux de 25 à 30 ans.

Le silicium polycristallin se caractérise par le fait que les cristaux sont toujours agrégés les uns aux autres, mais avec des formes et des orientations différentes. L'amélioration du processus de production du silicium polycristallin permet aujourd'hui de fabriquer des cellules, dont les performances électriques ne sont que légèrement inférieures à celles que l'on peut obtenir avec le procédé monocristallin.

Le panneau photovoltaïque le plus répandu est le type « double vitrage », composé de deux vitres transparentes très résistantes aux intempéries et maintenues ensemble par du silicone. Entre les deux vitres sont insérées des cellules de silicium de formes diverses (circulaires ou carrées à coins arrondis), d'une épaisseur d'environ 0,3 à 0,5 mm et d'un diamètre de 25 à 100 mm.

Pour réaliser les interconnexions, les deux faces de la cellule de silicium sont métallisées à certains endroits et la partie exposée au soleil a l'aspect typique d'une grille, afin de laisser passer le plus de lumière possible. Les cellules solaires de petite puissance sont construites par diffusion (à 800°C) d'impuretés pentavalentes (phosphore) sur un substrat semi-conducteur pur dopé P, pour former une jonction à une profondeur d'environ 5 microns.

De cette manière, la couche N du semi-conducteur est suffisamment fine, pour permettre à la lumière dirigée vers la jonction de la traverser. Le substrat est connecté électriquement au pôle positif, tandis que pour le pôle négatif, la zone N est métallisée en réalisant de fines bandes d'aluminium qui convergent vers une seule électrode.

La connexion électrique  entre les cellules photovoltaïques est réalisée par deux contacts métalliques, l'un sur la face exposée et l'autre sur la face opposée, habituellement fabriqués par évaporation sous vide de métaux à très faible résistance électrique.

Alors que la métallisation au verso couvre toute la face, la métallisation avant est constituée de bandes métalliques qui servent à tirer le courant de l'anode de chaque cellule sans trop gêner le passage de la lumière. L'étape suivante du traitement d'une cellule est le dépôt d'une couche antireflet d'une épaisseur maximale de 1 micron, pour laquelle on utilise généralement de l'oxyde de titane évaporé sous vide.

Les panneaux en silicium amorphe

Une technologie alternative au cristallin, mais très viable, date de plus de 30 ans et est celle du silicium amorphe (a-Si). Les cellules de ce type sont composées de semi-conducteurs dont les atomes sont déposés chimiquement sous forme amorphe (c'est-à-dire désorganisés au niveau du réseau cristallin) sur la surface de support.

Cette dernière technologie présente l'avantage de nécessiter des quantités minimales de silicium (l'épaisseur du semi-conducteur est de l'ordre du micron, ce qui n'est pas surprenant pour la fabrication de modules à couche mince). Cependant, les modules qui en résultent ont un rendement inférieur à celui typique de la technologie cristalline.

L'orientation non uniforme permet d'obtenir un rendement moyen égal à celui du monocristallin le plus performant, car dans la structure amorphe, avec des atomes étant orientés dans diverses directions, le rayonnement solaire frappe effectivement un bon nombre d'atomes, quelle que soit son orientation.

Par conséquent, dans les installations où les panneaux sont fixes et lorsque le ciel est un peu nuageux, le choix des systèmes amorphes garantit une production d'électricité plus uniforme tout au long de la journée. En effet, avec le cristallin, tant que le soleil frappe sous l'angle optimal (à midi...), le courant produit est plus du double de celui de l'amorphe, mais il baisse ensuite. En revanche, l'amorphe reçoit plus ou moins bien la lumière de n'importe quelle direction, de sorte qu'il profite du soleil tout au long de la journée.

Un exemple de panneau photovoltaïque en silicium amorphe est illustré en Figure 2.

Les modules à couches minces pour systèmes photovoltaïques

L'une des dernières technologies de fabrication, qui devrait changer radicalement la conception des systèmes photovoltaïques, est la couche mince, qui comprend des composants en silicium micro-sphérique, montés sur un module flexible, ou en silicium amorphe ou en semi-conducteurs synthétiques.

Tous ont en commun la très faible épaisseur (d'où le nom) de la couche active. Les modules fabriqués ne font que quelques millimètres d'épaisseur et sont constitués de couches de matériau semi-conducteur qui n'est pas nécessairement du silicium, généralement déposées sous forme de mélange gazeux sur des substrats bon marché (verre, polymères, métaux). La technologie des couches minces comprend les modules traditionnels en silicium amorphe (a-Si), qui sont actuellement les plus vendus, mais aussi les panneaux en silicium amorphe à tandem et à triple jonction.

La technique du tandem remonte à plusieurs décennies et a également été adoptée dans les panneaux cristallins. Elle se résume au fait qu'un semi-conducteur donné, présente un pic de sensibilité à une certaine longueur d'onde de la lumière.

Pour obtenir des performances maximales dans différentes conditions d'éclairage, en tirant pleinement parti du spectre de la lumière solaire, on peut combiner des cellules composées de différents matériaux semi-conducteurs. Par exemple, du silicium (de l'infrarouge au milieu du spectre visible) et de l'arséniure de gallium ou un autre semi-conducteur synthétique à haut pouvoir de sortie, pour la partie supérieure de la gamme du spectre visible.

C'est ainsi que sont prises en compte la lumière directe du soleil (qui a une température de couleur plus basse et donc une longueur d'onde plus grande), et la lumière réfléchie du ciel, (qui est plus froide et a une longueur d'onde plus courte). Par exemple, un module construit avec ce type de technique, comparé au silicium cristallin, a un rendement spécifique inférieur, mais pour la même puissance, il parvient à produire sur une base annuelle 20 % d'énergie en plus, car il a une meilleure réponse au rayonnement solaire diffus (la lumière réfléchie par le ciel). La Figure 3 présente un exemple de panneau solaire à couche mince.

Une évolution de la technologie tandem a été brevetée par Unisolar et est connue sous le nom de triple-jonction. Au lieu de paires, elle utilise des cellules solaires triples, chacune fabriquée dans son propre matériau.

En ce qui concerne la longévité, la technique des couches minces et en tout cas celle du silicium amorphe souffrent d'une baisse de rendement moins constante. En plus de cela, la technique des couches minces présente de nombreux avantages. Elle est non seulement moins chère et permet un rendement plus uniforme tout au long de la journée, mais elle permet aussi de construire des sortes de modules photovoltaïques flexibles, pour une multitude d'utilisations, y compris pour être collés sur des substrats courbes en acier (toitures en tôle métallique) et autres matériaux (revêtement en PVC, etc.).

L'épaisseur minimale permet d'appliquer les modules non seulement sur des surfaces courbes et flexibles, mais aussi sur le vitrage des bâtiments, tout en laissant passer une bonne partie de la lumière. C'est pourquoi la technique des couches minces est en plein essor, et à côté des solutions plus anciennes, notamment celles qui viennent d'être décrites, de nouvelles technologies basées sur des matériaux synthétiques sont en cours de développement.

L'une d'entre elles utilise une couche de tellurure de cadmium (CdTe) sur une couche de sulfure de cadmium microcristallin (CdS), dont les coûts de production sont très faibles car la technologie utilisée à cet effet ne nécessite pas d'atteindre les très hautes températures requises pour la fusion et la purification du silicium.

Quant au tellurure de cadmium, il s'agit d'un semi-conducteur artificiel, qui permet de fabriquer des modules photovoltaïques dont les caractéristiques sont très proches de celles obtenues à partir de l'arséniure de gallium au coût plus élevé. Les caractéristiques mécaniques sont excellentes, car avec une couche active de seulement 5 microns, il est possible de construire des cellules dont le rendement est supérieur à 13 %. Cependant, la production à grande échelle est encore difficile et le problème de l'efficacité globale des modules reste à résoudre.

Dans le cas du sulfure de cadmium microcristallin, la technique de construction est assez peu coûteuse, et le matériau est appliqué en le pulvérisant comme une peinture sur un substrat métallique. Malheureusement, la production de ce type de cellules photovoltaïques présente quelques inconvénients, avec la toxicité du cadmium et le faible rendement obtenu. De plus, si le panneau photovoltaïque prend feu et atteint des températures très élevées, il y a un risque de rejet de cadmium dans l'air.

L'arséniure de gallium (GaAs) est également utilisé dans la fabrication de panneaux à couche mince, qui permet d'obtenir des rendements très élevés (40 %), à cause de sa meilleure sensibilité à la lumière du soleil et de son travail de sortie plus élevé, ce qui se traduit par une tension utile par cellule plus élevée que celle obtenue avec le silicium.

L'une des raisons pour lesquelles les performances de l'arséniure de gallium sont meilleures que celles du silicium, face au rayonnement solaire, réside dans le fait qu'il est plus sensible à la composante la plus énergétique du rayonnement solaire, à savoir la composante ultraviolette. Compte tenu de son coût élevé, ce semi-conducteur est principalement utilisé pour des applications militaires ou scientifiques avancées.

Deux autres matériaux synthétiques destinés à la production de cellules solaires sont le cuivre indium sélénium (CIS) et le cuivre indium gallium sélénium (CIGS), qui sont très complexes et coûteux du point de vue de la construction.

Une autre technologie que nous pouvons considérer comme hybride est la technologie du silicium microsphérique, elle utilise du silicium polycristallin réduit en sphères d'environ 0,75 mm de diamètre, enfermées dans un substrat d'aluminium. Il convient de noter que, parmi les technologies décrites, les technologies amorphe et microsphérique permettent de plier le module sans l'endommager. Dans le cas de l'amorphe, c'est parce qu'il n'y a pas de structure cristalline du matériau qui l'empêche de se déformer. Et dans le cas des microsphères, ce n'est pas la cellule (sphère) qui se plie, mais la grille en nid d'abeille sur laquelle elle est disposée.

Le rendement des panneaux à couche mince est généralement de 21 % pour le silicium cristallin, de 18 % pour les matériaux organiques (les CIGS atteignent 16 %) et de 14 % pour le silicium amorphe. Pour plus de détails, vous pouvez consulter l'encadré sur le silicium amorphe et la technologie des couches minces dans cet article.

Les technologies hybrides

En plus de celles que nous venons d'énumérer, il existe des technologies de construction de panneaux solaires qui combinent les technologies de base. La première que nous analysons est la HJT (Hetero Junction Technology) ou technologie à hétérojonction, qui consiste à exploiter des jonctions PN composées de substances différentes les unes des autres. Les cellules sont composées d'une couche de silicium cristallin servant de surface de support à une ou plusieurs couches amorphes ou cristallines, chacune étant optimisée pour une bande spécifique de longueurs d'onde qui composent la lumière du soleil (Figure 4).

La technologie HIT (HIntrinsic Thin layer) du japonais Sanyo en est un exemple : elle est basée sur une fine plaquette de silicium monocristallin entourée d'un film de silicium amorphe ultrafin. Ces structures, bien que nécessitant des techniques avancées et coûteuses, offrent des rendements allant jusqu'à 19 % et une durée de vie allant jusqu'à 30 ans, surpassant ainsi les panneaux conventionnels.

Les panneaux à hétérojonction sont basés sur trois matériaux, le silicium monocristallin, le silicium amorphe et l'ITO (couche mince d'oxyde d'indium). C'est la technique la plus prometteuse qui a permis d'atteindre un rendement de 27 %.

Le photovoltaïque à concentration

Bien que l'énergie solaire soit plus que suffisante pour les besoins de l'humanité, il serait impossible en pratique d'en exploiter ne serait-ce que la moitié dans des systèmes photovoltaïques conventionnels. En effet, la production annuelle de silicium raffiné (c'est-à-dire utilisable en électronique) est d'environ 30 000 tonnes. En supposant que l'on en réserve 50 % à la production de panneaux photovoltaïques et en sachant que l'utilisation de la technique cristalline nécessite 20 kg de silicium par kWp à produire, la production mondiale pourrait augmenter chaque année de 750 MW (0,75 GW). Si l'on considère que les installations existantes perdent généralement 1 % d'efficacité chaque année, il n'est pas vrai que la production photovoltaïque peut augmenter de 0,75 GW par an, puisqu'elle perd en fait une partie de ce qui existe déjà.

C'est pourquoi il faut augmenter le rendement de conversion. L'un des moyens d'y parvenir consiste à utiliser des systèmes capables de concentrer la lumière sans augmenter la surface de la cellule solaire, à l'aide de lentilles convergentes, ce qui permet d'obtenir des rendements supérieurs à 40 %. Cette technique présente toutefois l'inconvénient de devoir refroidir les cellules, qui lorsqu'elles sont soumises à une concentration de lumière, s'échauffent plus que les cellules conventionnelles et s'abîment si elles ne sont pas correctement refroidies. Le rendement de ce type de panneaux photovoltaïques est toutefois limité par l'agitation thermique, sans quoi il atteindrait 50 %.

Prochainement

Jusqu'à présent, nous avons passé en revue les types de panneaux photovoltaïques disponibles sur le marché, avec leurs différentes caractéristiques et possibilités. Dans la deuxième partie de cette série d'articles, nous verrons comment les intégrer dans les schémas de connexion les plus courants avec les régulateurs de charge, les systèmes de stockage par batterie et les onduleurs, tant dans les configurations hors secteur que connectées au réseau. En attendant, ne nous débranchez pas, s'il vous plaît !

  

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La technologie du silicium amorphe et des couches minces

La technologie des couches minces nécessite des quantités minimales de semi-conducteurs, car elle est constituée de structures très fines et, par conséquent, très transparentes. Ses coûts de production sont faibles et, par rapport à la technologie cristalline, elle permet de fabriquer des panneaux moins fragiles et plus tolérants à l'angle d'exposition à la lumière.

En particulier, certains modules à couche mince sont également accessibles aux piétons, flexibles et adaptables aux structures courbes et vitrées. Les seuls défauts sont le faible rendement et la stabilité dans le temps. Le faible rendement est compensé par le fait que le module est plus uniformément sensible à la lumière que les modules cristallins. En d'autres termes, le rendement est à peu près le même dans un grand angle, ce qui rend les modules très appropriés pour une utilisation dans des installations fixes, et donne un meilleur rendement par rapport à la lumière diffuse, c'est-à-dire lorsque le ciel est couvert.

Contrairement à la technologie cristalline, dans laquelle le matériau semi-conducteur est solide sous forme de plaquette, les technologies de couches minces impliquent le dépôt du matériau par extraction d'un gaz, qui, pour le silicium amorphe, est généralement du silane (SiH₄) ou du trichlorosilane (SiHCl₃). Ces gaz sont alors les mêmes que ceux utilisés depuis des décennies dans la production de composants électroniques semi-conducteurs par croissance épitaxiale.

La technologie basée sur les semi-conducteurs synthétiques tels que le CdS, le CdTe, etc. est similaire. Le dépôt de semi-conducteurs à partir d'un gaz qui en contient permet de fabriquer des couches très fines (quelques microns...) sur une grande variété de surfaces de substrats, en utilisant un traitement à plus basse température (800 °C) que celle requise pour fabriquer les jonctions des panneaux mono- et polycristallins. Cependant, comme le traitement des modules à couche mince nécessite l'utilisation de matériaux aux caractéristiques particulières (silicium amorphe, tellurure de cadmium, diséléniure d'indium et cuivre), plusieurs problèmes techniques restent à résoudre, notamment en ce qui concerne la stabilité des performances électriques au cours de la durée de vie.

Contrairement aux modules cristallins, les modules à couche mince sont essentiellement constitués d'une ou plusieurs grandes jonctions interconnectées obtenue(s) par dépôt d'un matériau dopé d'accepteurs (riche en gaps) sur un matériau dopé de donneurs (riche en électrons). Par exemple, le sulfure de cadmium sur le tellurure de cadmium, pour la technologie de synthèse CdTe/CdS.

L'uniformité et la possibilité de réaliser des modules flexibles font du silicium amorphe un produit populaire pour l'intégration dans des éléments architecturaux. Le silicium amorphe a été le premier matériau utilisé pour la production de couches minces. Malheureusement, la nature même du silicium amorphe, qui n'a pas de structure moléculaire définie, limite fortement les performances du produit en termes de rendement de conversion, qui reste bien inférieur à celui du cristallin (5 à 8 % pour les meilleures cellules multijonctions amorphes).

Pour les couches minces, un certain nombre de problèmes liés à la stabilité des performances dans le temps restent à résoudre, car près de 10% de la puissance annoncée par le fabricant est perdue au cours des 300 à 400 premières heures d'exposition, bien qu'elle se stabilise ensuite davantage que le cristallin, qui perd uniformément environ 1% par an.

Une technologie de construction de panneaux solaires qui gagne en popularité est la technologie de la triple jonction, et dans ce cas, le module photovoltaïque est constitué d'une structure à trois jonctions en couches minces empilées les unes sur les autres, chacune étant sensible à une certaine partie du spectre de la lumière solaire. L'épaisseur réduite des couches, et donc leur transparence, permet à la lumière d'atteindre la couche la plus profonde.

Les technologies actuelles de cellules à couche mince s'appliquent à la fois au silicium amorphe, et aux matériaux synthétiques et sont les suivantes :

• Le silicium amorphe, dans lequel les atomes de silicium sont déposés chimiquement sous une forme amorphe, c'est-à-dire structurellement désorganisée, sur la surface de support, qui peut être du verre, de l'acier inoxydable ou un autre métal,
• Le tellurure de cadmium (CdTe, N-semiconducteur) et sulfure de cadmium (CdS, P-semiconducteur) déposés sur une couche à base de cuivre et de carbone ou de titane, qui sert de base et est fermée par de l'oxyde d'étain et du verre,
• L’arséniure de gallium (GaAs),
• Le diséléniure de cuivre, indium et gallium (CIGS). Entre deux électrodes, formées d'une feuille d'acier qui sert de support et d'une feuille d'oxyde de zinc placée sous le verre protecteur, il y a une couche de sulfure de cadmium (semi-conducteur P) et une couche de diséléniure d'indium, de cuivre et de gallium (semi-conducteur N),
• Le diséléniure de cuivre et d'indium (CIS).