== Schema.org specification ==
Tout ce qu’il faut savoir la cellule photovoltaïque
Découvrez notre analyse complète d'une cellule photovoltaïque. Fabrication, fonctionnement, caractéristiques, rendement et recyclage.
Les cellules photovoltaïques sont une invention récente dans le monde de l’énergie solaire. Le concept existe depuis près d’un siècle, mais sa viabilité commerciale n’a commencé qu’il y a une dizaine d’années.
Ces technologies, initialement utilisées pour répondre au besoin pressant d’énergie des installations informatiques, ont progressivement évolué. Elles ont gagné en importance jusqu’à devenir aujourd’hui un enjeu majeur de la transition énergétique. Elles occupent désormais une place importante dans les secteurs industriels et agricoles, mais aussi dans notre quotidien.
Qu’est-ce qu’une cellule photovoltaïque et comment fonctionne-t-elle ?
Une cellule photovoltaïque est un dispositif conçu pour convertir la lumière du soleil en électricité. Elle est composée de matériaux semi-conducteurs, comme le silicium, qui réagissent à la lumière en générant un courant électrique.
Le fonctionnement repose sur un principe simple : lorsque des photons (particules de lumière) frappent le semi-conducteur, ils transfèrent leur énergie aux électrons présents. Excités par l'énergie des photons, ceux-ci passent à un niveau d'énergie supérieur et se mettent en mouvement.
Ce déplacement d'électrons crée un courant électrique. En traversant un circuit externe relié à la cellule, ce courant peut alors être utilisé pour alimenter différents appareils ou être stocké pour une utilisation ultérieure. C'est ce processus qui permet aux cellules photovoltaïques de jouer un rôle clé dans la production d'énergie renouvelable.
Point histoire sur l’effet photovoltaïque
En 1839, le physicien français Alexandre-Edmond Becquerel, découvre un phénomène : l’effet photovoltaïque, c’est-à-dire la possibilité de produire de l’électricité grâce à la lumière et la présence de matériaux semi-conducteurs. La première personne à découvrir ce principe était le scientifique anglais Humphrey Davy (1778-1829) . Cependant, il ne comprenait pas ce qu’il avait trouvé à l’époque et n’en fit donc aucune mention !
Notions clés pour comprendre la cellule photovoltaïque
Les cellules photovoltaïques sont le fruit d’un processus de fabrication précis, où chaque étape joue un rôle clé pour transformer l’énergie solaire en électricité. Voici les notions essentielles à comprendre pour mieux appréhender leur conception :
Les semi-conducteurs
Ce sont des matériaux qui possèdent des propriétés électriques intermédiaires entre celles d’un conducteur (comme les métaux) et d’un isolant (comme le verre). Ils peuvent conduire l’électricité sous certaines conditions, notamment lorsqu’ils sont soumis à de l’énergie externe, comme la chaleur ou la lumière. Ils sont essentiels pour la fabrication de composants électroniques, comme les transistors et les diodes, utilisés dans de nombreux appareils modernes. Le silicium est le principal semi-conducteur utilisé pour les cellules photovoltaïques; apprécié pour sa capacité à convertir efficacement la lumière en électricité grâce à ses propriétés idéales de bande interdite.
La bande interdite
C’est la zone d'énergie entre la bande de valence (où se trouvent normalement les électrons) et la bande de conduction (où ils peuvent se déplacer librement) dans un semi-conducteur. Elle détermine la capacité d’un matériau à conduire l’électricité. Pour qu'un électron puisse contribuer à la conduction, il doit passer de la bande de valence à la bande de conduction, en franchissant cette bande interdite. La largeur de cette bande détermine les propriétés électriques du matériau, et elle est suffisamment petite dans les semi-conducteurs pour que l’énergie de la lumière ou de la chaleur puisse exciter les électrons et les faire circuler.
Le dopage
Le dopage est une méthode permettant de modifier un semi-conducteur, afin de produire des cellules solaires qui ont un meilleur rendement de conversion. Pour ce faire, deux types de semi-conducteurs sont insérés dans la cellule : p ou n. Cette opération s’effectue en injectant la solution de dopage en question au milieu de la plaquette par diffusion thermique dans des fours chauffés à 800-900°C. Sous l’effet de la température, le dopant acquiert suffisamment d’énergie pour se mêler aux atomes de silicium.
Dopage de type n
Ce dopage consiste à doper un semi-conducteur classique avec un autre qui possède plus d’électrons, comme le phosphore.
Des électrons sont ainsi ajoutés à la bande de valence du semi-conducteur de référence. Par conséquent, la cellule aura une conductivité plus efficace grâce au déplacement de l’électricité.
Dopage de type p
Il correspond ici à l’inverse du dopage n. Il consiste, dans ce cas, à doter un semi-conducteur d’un élément qui possède moins d’électrons, comme le bore par exemple.
Par cette opération on réduit le nombre d’électrons dans la bande de valence, et ce sont alors les charges positives qui assurent l’électricité.
À la fin de cette étape, la jonction p-n est créée et les plaquettes deviennent des cellules photovoltaïques.
La structure de ces cellules
Elles sont composées de plusieurs couches qui jouent un rôle spécifique dans la conversion de l’énergie solaire en électricité. La couche principale est constituée de silicium, qui est dopé pour créer deux types de zones : une zone de type p (positive) et une zone de type n (négative).
Cette jonction p-n est essentielle car elle génère un champ électrique qui dirige les électrons lorsqu’ils sont excités par la lumière. Une couche antireflet est souvent appliquée sur la surface exposée au soleil pour maximiser son absorption et minimiser les pertes dues à la réflexion.
En dessous de cette couche, des électrodes collectent les électrons libres générés, permettant ainsi la création d’un courant électrique. La structure ainsi formée permet de transformer l’énergie solaire en énergie électrique de manière efficace.
Les différentes cellules photovoltaïques
Pour fabriquer ces cellules, on utilise des semi-conducteurs, mais les matériaux utilisés pour les fabriquer varient considérablement. À l’heure actuelle, la solution la plus courante pour un panneau solaire reste le silicium.
Les cellules photovoltaïques en silicium
Le silicium, élément abondant et non toxique, est au cœur de la fabrication des cellules photovoltaïques. Utilisé depuis longtemps sous forme de dioxyde de silicium (SiO₂), il est aujourd’hui purifié à un niveau exceptionnel, supérieur à 99,999 %, pour répondre aux exigences de l’industrie solaire. Trois types de cellules photovoltaïques sont principalement fabriqués à partir de cet élément : les monocristallines, qui offrent un rendement élevé grâce à leur structure uniforme ; les polycristallines, plus abordables mais légèrement moins performantes ; et les amorphes, flexibles et légères, adaptées à des applications spécifiques.
Monocristallines
C’est le modèle le plus communément utilisé aujourd’hui. Elles comportent une fine couche de SiO2 au-dessus d’un silicium monocristallin. C’est cette couche qui rend la cellule en si efficace pour convertir la lumière du soleil en électricité. La cellule monocristalline est plus chère, mais son rendement est généralement plus élevé, ce qui justifie son prix.
C’est ce que nous utilisons le plus couramment sur nos centrales au sol et toitures photovoltaïques. Il est d’ailleurs possible de louer une de ces toitures !
Polycristallines
Leur fonctionnement repose sur plusieurs couches de silicium, chacune étant d’une couleur différente. On les empile de manière à créer de nombreux petits points sur la surface. La taille et l’espacement entre ces points déterminent la quantité de lumière que la cellule peut absorber et diriger vers le système électrique. Elles sont moins chères, mais n’ont pas une puissance de sortie aussi élevée.
Amorphes (ou à couche mince)
Composées d’un élément en silicium amorphe, elles ont l’avantage d’être imprimables sur des supports flexibles.Cette solution est idéale pour des conditions de faible ensoleillement, et maximise son efficacité dans des environnements moins favorables.
Elle convient bien aux vitres ou pare-brise de voiture, car elle ne nécessite pas d’équipement spécial. Elle a l’avantage d’être plus flexible et moins coûteuse à produire que le silicium monocristallin.
Les cellules photovoltaïques au tellurure de cadmium (CdTe)
Le cadmium est un métal argenté, dont les propriétés physiques sont semblables à celles du zinc, bien qu’il soit chimiquement moins réactif. Solide et assez léger, il présente des rendements intéressants en raison de ses caractéristiques. Cependant, son utilisation présente des risques pour l’Homme et l’environnement.
La jonction p-n de cette cellule se fait par hétérojonction. Le tellure de cadmium étant dopé p, il nécessite un autre matériau de dopé n pour que la jonction se fasse, à savoir le sulfure de cadmium.
Le tellurure de cadmium présente certains avantages, car il n’a besoin que de 1 à 8 µm pour absorber une grande quantité de lumière, même lorsqu’elle est rare, comme à l’aube ou au crépuscule.
Les cellules photovoltaïques à pérovskites
La pérovskite est un composé d’une structure cristalline tétragonale. Il s’agit d’un matériau hybride organique-inorganique qui tient sa production du soleil. Cette substance a de nombreuses applications potentielles dans le domaine. Les cellules solaires en pérovskite remplacent le silicium et ont un rendement de conversion énergétique avantageux d’environ 20 %.
Moins onéreuses à produire, elles se fabriquent ainsi plus facilement, mais présentent encore de nombreux problèmes de fonctionnement, notamment d’étanchéité, qui remettent en cause leur utilisation en extérieur.
Les cellules photovoltaïques tandem
Les cellules photovoltaïques en tandem, également appelées TPC, se composent de deux couches différentes. La première couche est la cellule à base de silicium et la seconde couche est une cellule solaire organique.
L’idée est qu’elles ont besoin de moins de surface pour obtenir la même quantité d’énergie qu’une cellule en silicium. Cela réduit le coût et le poids de l’installation, car il y a besoin de moins d’équipements pour supporter un grand panneau solaire.
Les cellules photovoltaïques multi-jonctions
Les cellules multi-jonctions sont à la pointe de la technologie. Le rendement de ce modèle à plusieurs jonctions présente une efficacité spectaculaire, supérieur à 40 %.
Ce type de modèle se compose de plusieurs semi-conducteurs empilés les uns sur les autres, en couches distinctes. Cela permet d’utiliser une grande partie du spectre pour rendre les panneaux solaires aussi efficaces que possibles.
Les cellules photovoltaïques CIGS
Ces différents acronymes représentent les éléments chimiques suivants : cuivre, indium, gallium, sélénium.Cette technique de production de cellules à couche mince à haute performance, fonctionne par hétérojonction, comme c’est le cas avec le tellurure de cadmium.
Les composés de ce système possèdent des capacités d’absorption très élevées et ne sont pas toxiques pour l’environnement ou la santé. Toutefois, l’indium pourrait se raréfier en raison de son utilisation dans la fabrication d’appareils de haute technologie, à l’exemple des écrans LCD.
Quel est le rendement d’un module photovoltaïque et comment l’optimiser ?
Le rendement d’une cellule photovoltaïque consiste à chaque instant à convertir le faisceau lumineux nécessaire pour produire de l’énergie électrique. Son efficacité peut varier selon différents facteurs :
La puissance disponible du système
L’orientation
La surface potentielle des panneaux
La durée de vie
L’électricité produite.
Pour obtenir une efficacité optimale, il est nécessaire de maximiser le « taux de conversion » entre le faisceau lumineux et la puissance électrique. On détermine le rendement d’une cellule photovoltaïque par l’intensité de sa production et celle de son emplacement.
Les parts de conversion de l’énergie solaire en électricité :
Cellules monocristallines: 15 à 20 %
Cellule polycristallines: 10 à 15 %
Cellule amorphes: 5 à 13 %
Le recyclage d’un panneau photovoltaïque
Les panneaux solaires, dont la durée de vie est d’au moins 30 ans, sont composés de matériaux recyclables, à plus de 94% pour un module photovoltaïque à base de silicium cristallin avec cadre en aluminium ! La plupart sont fabriqués à partir de verre, de plastique et d’aluminium, qui sont recyclés selon un processus de recyclage en « boucle ouverte », ce qui signifie que le matériau recyclé est utilisé à d’autres fins. Le recyclage en « boucle fermée » sert à fabriquer de nouveaux panneaux photovoltaïques, il utilise le silicium et d’autres métaux présents en plus petites quantités. Les matériaux utilisés dans les panneaux photovoltaïques doivent, au terme de leur cycle de vie, être récupérés et recyclés au mieux des possibilités techniques. Les filières de recyclage de la plupart de ces matériaux sont arrivées à maturité. Cependant, d’autres matériaux, comme le silicium, requièrent des procédés de traitement spécifiques, qui sont progressivement mis en place. L’exigence nécessite de réutiliser la majorité de leurs composants. Le potentiel de recyclage des panneaux solaires est important, avec un taux de recyclage élevé aujourd’hui et une chaîne de traitement prometteuse. Nos panneaux solaires sont recyclés par l’organisme PV Cycle.
Quel avenir pour le photovoltaïque ?
L‘IEA (International Energy Agency) prévoit que la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique mondial passera à 33 % d’ici 2030. L’énergie solaire atteindra quant à elle le même niveau que les autres énergies renouvelables (hydraulique, éolienne, biocarburants) réunies. Les cellules photovoltaïques ont de beaux jours devant elles, tant en termes de rendement que de capacité. Les principaux obstacles de démocratisation de ces cellules étaient le coût, mais la recherche approfondie sur le développement de cellules plus performantes ainsi que les récentes améliorations des technologies de fabrication ont rendu leurs prix plus accessibles, et plus compétitifs. Elles constituent donc une solution potentielle, voire un rôle clé pour l’avenir des besoins énergétiques.
Les panneaux bifaciaux
La technologie actuelle des panneaux solaires utilise uniquement la face exposée au soleil. La face arrière est, elle, principalement utilisée pour le passage des câbles. Mais cela pourrait changer grâce aux panneaux bifaciaux, qui permettent de capturer la lumière réfléchie par l’environnement, notamment le sol. Les rendements des centrales électriques seront ainsi augmentés, à condition d’optimiser l’implantation de ces modules, car ils impliquent de prendre en considération de nouveaux critères. L’International Technology Roadmap for Photovoltaics (ITRPV) estime, dans sa feuille de route 2020, que la part de marché des modules photovoltaïques bifaciaux augmentera régulièrement pour atteindre 45 % des nouvelles installations en 2024 et 70 % en 2030.
Les cellules photovoltaïques organiques
Légères et flexibles, les cellules photovoltaïques peuvent être produites à faible coût à partir de simples plastiques. Elles sont basées sur de la matière organique. Fabriquées à partir de grandes molécules comportant des doubles liaisons conjuguées, elles sont identiques à celles que l’on trouve dans certains plastiques. Cela signifie qu’elles peuvent être produites en masse plus facilement. Ce système a été appliqué à une variété de dispositifs tels que des chargeurs de téléphones portables et des ordinateurs portables.
Vous en savez désormais plus sur les cellules photovoltaïques et leur fonctionnement ! Produire votre propre électricité grâce à l’énergie solaire, c’est faire un pas de plus vers l’indépendance énergétique.
Qu’il s’agisse d’un parc photovoltaïque ou de toiture photovoltaïque, choisir des panneaux solaires de qualité et adaptés à votre projet vous garantit un investissement rentable et durable.
