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Silicium en couches minces
Le silicium amorphe hydrogéné produit par la dissociation du silane dans un plasma de décharge est depuis de nombreuses années le matériau semi-conducteur de référence pour les couches minces de silicium. Des recherches autour de cette filière ont démarré dans les années 1980 en France autour de I. Solomon et le laboratoire PICM, accompagnés par plusieurs laboratoires (LGEP, DPM-INL, GREMI,…) dans le cadre de programmes ADEME, CNRS ou européens.
La filière couches minces à base de silicium amorphe hydrogéné est présente sur le marché depuis le début des années 1980. Jusqu’à 2005 ce marché a été occupé par des acteurs "historiques" : Sanyo, Fuji Electric, BP Solar, Sharp, Kaneka, Unisolar, Schott,… qui ont développé des réacteurs de dépôt et procédés propres "in-house". Depuis le début des années 2000, avec la présence sur le marché de grands équipementiers (Applied Materials, Oerlikon, Ulvac, Jusung, Leybold optics, TEL), qui proposent des lignes de production clés en main, le secteur a connu une grande accélération avec la croissance des anciens acteurs et l’arrivée d’un grand nombre de nouveaux avec des unités de production de 100 MW et quelques-uns qui annoncent d’ores et déjà des capacités de production à l’échelle du GW (Sharp, Ersol, Moser Baer, Al Masdar,…)
Les recherches conduites en France, autour du laboratoire PICM, ont conduit à des progrès spectaculaires dans le domaine des procédés de dépôt de couches minces de silicium. En effet, aujourd’hui les procédés plasma vont bien au-delà du dépôt de a-Si:H et on peut synthétiser (toujours à ~200 °C) une large palette de matériaux : silicium polymorphe, microcristallin, couches épitaxiées sur silicium et sur métal (FeNi42), nanocristaux, puits quantiques, nanofils de silicium, et bien sûr le même type de couches minces à base de germanium et d’alliages SiGe. En parallèle, des équipementiers ont mis sur le marché des réacteurs de dépôt basés sur le même principe pour la réalisation d’écrans plats dans un premier temps et des modules photovoltaïques dans un deuxième temps. Nous sommes donc dans une filière très dynamique avec beaucoup d’entreprises qui se lancent dans la production (ramp up) et avec de très grandes possibilités d’augmentation du rendement.
D’autres filières de couches minces de silicium obtenues par des procédés à haute température sont également développées telles que le dépôt de couches en silicium polycristallin sur verre ou métal et le transfert de couches de silicium monocristallin sur substrat économique (filière haut rendement). Deux start-up américaines (Solexel et CrystalSolar) ont été créées récemment pour développer cette dernière filière.
Atouts de la filière :
Plusieurs points sont à mettre en avant :
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Procédé de dépôt par voie plasma à basse température relativement simple et qui a fait ses preuves sur des modules de grande surface ( ~ 6 m2).
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Ce procédé permet l’utilisation de tout type de substrat : verre, feuillard métallique, Aluminium, plastique. Des produits industriels existent sur tous ces types de substrats. Cela conduit aussi aux procédés en ligne du type "Roll-to-Roll" qui apparaissent comme une très bonne voie pour la réduction des coûts de production.
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Grande palette de matériaux ce qui se prête à une ingénierie de bandes du matériau semi-conducteur pour la réalisation de cellules multi-spectrales (tandem, triple jonction) et donc à l’augmentation du rendement des cellules/modules.
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Coefficient de température beaucoup moins important que pour les cellules à base de silicium cristallin. Ceci signifie que la perte de rendement lorsque la température dépasse les conditions standard de mesure du rendement (25 °C), est beaucoup moins importante que pour les cellules en silicium cristallin. Ceci conduit aussi systématiquement à une production d’énergie (kWh) par kWc installé supérieure dans le cas des couches minces de silicium.
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Matériaux « environment friendly », bien adaptés à des usages diffus et pouvant donner lieu à fin de vie banalisée pour des produits grand public