Une cellule photovoltaïque (PV), également appelée cellule solaire, est un composant électronique qui produit de l'électricité lorsqu'il est exposé à des photons, ou particules de lumière. Cette conversion est appelée "effet photovoltaïque", qui a été découvert en 1839 par le physicien français Edmond Becquerell. Ce n'est que dans les années 1960 que les cellules photovoltaïques ont trouvé leur première application pratique dans la technologie des satellites. Les panneaux solaires, composés de modules de cellules photovoltaïques, ont commencé à arriver sur les toits à la fin des années 80. La capacité photovoltaïque n'a cessé de croître depuis le début du XXIe siècle, grâce à la construction d'immenses fermes solaires.
Comment fonctionne une cellule photovoltaïque
Une cellule photovoltaïque est constituée de matériaux semi-conducteurs qui absorbent les photons émis par le soleil et génèrent un flux d'électrons. Les photons sont des particules élémentaires qui transportent le rayonnement solaire à une vitesse de 300 000 kilomètres par seconde. Dans les années 1920, Albert Einstein les appelait "grains de lumière". Lorsque les photons frappent un matériau semi-conducteur comme le silicium, ils libèrent les électrons de ses atomes, laissant ainsi un espace vide. Les électrons errants se déplacent au hasard à la recherche d'un autre "trou" à remplir.
Pour produire un courant électrique, les électrons doivent cependant circuler dans la même direction. Pour ce faire, on utilise deux types de silicium. La couche de silicium exposée au soleil est dopée avec des atomes de phosphore, qui a un électron de plus que le silicium, tandis que l'autre face est dopée avec des atomes de bore, qui a un électron de moins. Le sandwich qui en résulte fonctionne un peu comme une batterie : la couche qui a un surplus d'électrons devient la borne négative (n) et la face qui a un déficit d'électrons devient la borne positive (p). Un champ électrique est créé à la jonction entre les deux couches.
Lorsque les électrons sont excités par les photons, ils sont balayés vers le côté n par un champ électrique, tandis que les trous dérivent vers le côté p. Les électrons et les trous sont dirigés vers les contacts électriques appliqués des deux côtés avant de s'écouler vers le circuit externe sous forme d'énergie électrique. Cela produit un courant continu. Un revêtement anti-reflet est ajouté au sommet de la cellule pour minimiser la perte de photons due à la réflexion en surface.
Rendement des cellules photovoltaïques
L'efficacité est le rapport entre la puissance électrique produite par la cellule et la quantité de lumière solaire qu'elle reçoit. Pour mesurer l'efficacité, les cellules sont combinées en modules, qui sont à leur tour assemblés en réseaux. Les panneaux résultants sont ensuite placés devant un simulateur solaire qui imite les conditions idéales d'ensoleillement : 1 000 watts (W) de lumière par mètre cube à une température ambiante de 25 °C. La puissance électrique produite par le système, ou puissance de crête, est un pourcentage de l'énergie solaire entrante. Si un panneau d'un mètre carré produit 200 W de puissance électrique, il a un rendement de 20 %. Le rendement théorique maximal d'une cellule photovoltaïque est d'environ 33 %. C'est ce que l'on appelle la limite de Shockley-Queisser.
la quantité d'électricité produite par une cellule, appelée rendement, dépend de son efficacité, de l'ensoleillement annuel moyen de la zone environnante et du type d'installation. Le rayonnement solaire incident est très variable : il est de 1 mégawatt-heure par mètre carré et par an (MWh/m²/an) en région parisienne, contre environ 1,7 MWh/m²/an dans le sud de la France et près de 3 MWh/m²/an dans le désert du Sahara. Cela signifie qu'un panneau solaire ayant un rendement de 15 % produira 150 kWh/m²/an à Paris et 450 kWh/m²/an dans le Sahara.
Les différents types de cellules photovoltaïques
Il existe trois principaux types de cellules photovoltaïques. Leur rendement de conversion est en constante amélioration
Les cellules en silicium cristallin
Le silicium est extrait de la silice. Cette dernière a de nombreuses formes, dont le quartz, que l'on trouve en grande quantité dans le sable. Les cellules en silicium représentent plus de 95% du marché des cellules solaires. Dans les applications commerciales, leur rendement varie de 16,5 % à 22 %, selon la technologie utilisée.
Dans la méthode de traitement à froid, le silicium est composé de nombreux cristaux et est appelé polycristallin. Les cellules sont faciles à fabriquer et ont un rendement en laboratoire supérieur à 22 %. Dans la méthode d'extraction par fusion, le silicium est converti en une grande structure monocristalline et est appelé monocristallin. Son rendement en laboratoire peut atteindre 26,6 %. (Voir les infographies). Le prix des cellules de silicium a baissé ces dernières années, ce qui rend les PV très compétitifs par rapport aux autres sources d'électricité.
Cellules à couche mince
Au lieu de découper des tranches de silicium d'environ 200 microns3, il est possible de déposer des matériaux semi-conducteurs en couches minces de quelques microns d'épaisseur seulement sur un substrat comme le verre ou le plastique. Les substances les plus couramment utilisées sont le tellurure de cadmium et le séléniure de cuivre, d'indium et de gallium (CIGS), dont les rendements en laboratoire sont proches de ceux du silicium, à 22,1 % et 23,3 %, respectivement. Le silicium amorphe (non cristallin) peut également être utilisé pour la fabrication de cellules à couche mince. Cette technologie est appliquée depuis longtemps dans les petites calculatrices, mais elle est moins efficace que le silicium.
Les recherches précédentes sur le photovoltaïque organique (OPV) ont conduit à la découverte d'un nouveau type de cellules dites pérovskites. Elles sont fondées sur un matériau hybride avec une partie organique et une partie inorganique. Leurs rendements en laboratoire atteignent déjà celui des autres technologies (le record est de 23,7 %).
Bien que de nombreuses recherches doivent encore être menées avant que les cellules puissent être produites en masse (l'instabilité est un problème), les pérovskites présentent de nombreux avantages. En plus d'être légères et flexibles, leurs matériaux peuvent être mélangés avec de l'encre et appliqués sur de grandes surfaces. En outre, leur production est extrêmement rentable.
Voir aussi : https://mad-geneve.ch/comment-choisir-mes-panneaux-solaires-guide-pour-le-choix-de-votre-equipement-solaire/ cela vous en apprendra encore plus sur le sujet
