Energie photovoltaïque

Cellule photovoltaïque
Champ de cellules photovoltaïques
Champ de cellules photovoltaïques

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère une tension électrique (volt) (cet effet est appelé l'effet photovoltaïque). Le courant obtenu est un courant continu et la tension obtenue est de l'ordre de 0,5 V.

Les cellules photovoltaïques sont constituées de semi-conducteurs à base de silicium (Si), de sulfure de cadmium (CdS) ou de tellurure de cadmium (CdTe). Elles se présentent sous la forme de deux fines plaques en contact étroit. Un autre nom est « photo-galvanique ».

Ce semi-conducteur est pris en sandwich entre deux électrodes métalliques et le tout est protégé par une vitre.

Principe de fonctionnement

Structure d'une cellule photovoltaïque
Structure d'une cellule photovoltaïque

Il peut être illustré par l'exemple suivant, qui présente le cas d'une cellule au silicium :

  • La couche supérieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément de valence supérieure dans la classification périodique, c’est-à-dire qui possède plus d'électrons sur sa couche de valence que le silicium. Le silicium possède 4 électrons sur sa couche de valence : on peut donc utiliser des éléments de la colonne 15, par exemple le Phosphore (P). Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d'électrons supérieure à une couche de silicium pur. Il s'agit d'un semi-conducteur de type N.
  • La couche inférieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément de valence inférieure au silicium. Il peut s'agir de Bore (B) ou d'un autre élément de la colonne 13. Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d'électrons inférieure à une couche de silicium pur. Il s'agit d'un semi-conducteur de type P.

Lorsqu'on met ces deux semi-conducteurs en contact (de manière à ce qu'il puisse y avoir conduction), on crée une jonction PN, qui doit permettre le passage des électrons entre les deux plaques. Cependant, dans le cas d'une cellule photovoltaïque, le gap du semi-conducteur de type N est calculé de manière à ce que le courant ne puisse pas s'établir seul : il faut qu'il y ait un apport d'énergie, sous forme d'un photon de lumière, pour qu'un électron de la couche N soit arraché et vienne se placer dans la couche P, créant ainsi une modification de la répartition de la charge globale dans l'édifice.

Deux électrodes sont placées, l'une au niveau de la couche supérieure et l'autre au niveau de la couche inférieure : une différence de potentiel électrique et un courant électrique sont créés.

Technique de fabrication

Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques disponibles à un niveau industriel. Divers traitements du sable permettent de purifier le silicium qui est alors chauffé et réduit dans un four. Le produit obtenu est un silicium dit métallurgique, pur à 98% seulement. Ce silicium est ensuite purifié chimiquement et aboutit au silicium de qualité électronique qui se présente sous forme liquide. Par la suite, ce silicium pur va être enrichi en éléments dopant (P, As, Sb ou B) lors de l'étape de dopage, afin de pouvoir le transformer en semi-conducteur de type P ou N.

La production des cellules photovoltaïques nécessite de l'énergie, et on estime qu'une cellule photovoltaïque doit fonctionner environ 2 à 3 ans suivant sa technologie pour produire l'énergie qui a été nécessaire à sa fabrication (retour energétique du module)

Les techniques de fabrication et les caractéristiques des principaux types de cellule sont décrits dans les 3 paragraphes suivants. Il existe d'autres types de cellule actuellement à l'étude, mais leur utilisation est pratiquement négligeable actuellement.

Cellule en silicium amorphe

Le silicium n'est pas cristallisé, il est déposé sur une feuille de verre. La cellule est gris très foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires".

  • avantages :
    • fonctionnent avec un éclairement faible (même par temps couvert ou à l'intérieur d'un bâtiment),
    • moins chères que les autres.
    • moins sensible aux températures élevées que les cellules mono ou poly cristallines
  • inconvénients :
    • rendement faible en plein soleil, de 60Wc/m²[1],
    • performances qui diminuent sensiblement avec le temps.

Cellule en silicium monocristallin

Une cellule photovoltaïque monocristalline
Une cellule photovoltaïque monocristalline

Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme.

  • avantage :
    • très bon rendement, de 120Wc/m²[1].
  • inconvénients :
    • coût élevé,
    • rendement faible sous un faible éclairement.

Cellule en silicium polycristallin

Une cellule photovoltaïque polycristalline
Une cellule photovoltaïque polycristalline

Pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs cristaux. Ce genre de cellule est également bleu, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux.

  • avantages :
    • bon rendement, de 100Wc/m²[1], mais cependant moins bon que pour le monocristallin,
    • moins cher que le monocristallin.
  • inconvénient :
    • rendement faible sous un faible eclairement.

Ce sont les cellules les plus utilisées pour la production électrique (meilleur rapport qualité-prix).

Cellule Tandem

Empilement monolithique de deux cellules simples. En combinant deux cellules (couche mince de silicium amorphe sur silicium cristallin) absorbant dans des domaines spectraux se chevauchant, on améliore le rendement théorique par rapport à des cellules simples distinctes, qu'elles soient amorphes, cristallines ou microcristallines.

  • avantages :
  • inconvénient :

Cellule en plastique

Cellule multi-jonction

Des cellules ayant une grande efficacité ont été développées pour des applications spatiales. Les cellules multi-jonctions sont constituées de plusieurs couches minces qui utilisent l'épitaxie par jet moléculaire.

Une cellule triple jonction, par exemple, est constituée des semi-conducteurs GaAs, Ge et GaInP2. Chaque type de semi-conducteur est caractérisé par une longueur d'onde maximale au delà de laquelle il est incapable de convertir le photon en énergie électrique (cf. bande interdite). D'un autre côté, en deçà de cette longueur d'onde, le surplus d'énergie véhiculé par le photon est perdu. D'où l'interêt de choisir des matériaux avec des longueurs aussi proches les unes des autres que possible (en multipliant leur nombre d'autant) de manière à ce qu'une majorité du spectre solaire soit absorbé, ce qui génère un maximum d'électricité à partir du flux solaire. L'usage de matériaux composés de boîtes quantiques permettra d'atteindre 65% dans le futur (avec un maximum théorique de 87%). Les dispositifs à multijonctions GaAs sont les cellules les plus efficaces. Spectrolab a obtenu 40.7% d'efficacité (déc. 2006). Le coût de ces cellules est de l'ordre de USD 40 $/cm²

Utilisation

Les cellules photovoltaïques sont parfois utilisées seules (éclairage de jardin, calculatrice, ...) ou bien regroupées sur des panneaux solaires photovoltaïques.

Elles sont utilisés pour produire de l'électricité pour de nombreuses applications (satellites, parc-mètres, ...), ainsi que pour alimenter des habitations ou un réseau public de distribution dans le cas d'une centrale solaire photovoltaïque.

Prix du kWh pour des panneaux en silicium fixes

Le tableau suivant montre les coûts du photovoltaïque en $-cent/kWh en fonction du coût de l'investissement et de la productivité solaire (ensoleillement plus rendement de la cellule photovoltaïque). Ils sont calculés sur un taux d'actualisation de 4%, un coût de maintenance de 1% et une période d'observation de 20 ans. Les modules photovoltaïques sont habituellement sous garantie pendant 25 ans, mais ils peuvent être encore parfaitement opérationnels après 30 ou 40 ans.

L'énergie solaire photovoltaïque

L’effet photovoltaïque a été découvert par Antoine Becquerel en 1839, 57 ans avant que son petit-fils Henri Becquerel ne découvre la radioactivité. L’effet photovoltaïque est obtenu par absorption des photons dans un matériau semi-conducteur qui génère alors une tension électrique.

 

Les cellules photovoltaïque produisent du courant continu à partir du rayonnement solaire, qui peut être utilisé pour alimenter un appareil ou recharger une batterie. De nombreuses calculatrices de poche utilisent l'énergie photovoltaïque.

Quand l'énergie nécessaire dépasse la quantité fournie par une seule cellule, les cellules sont regroupées pour former un module photovoltaïque, désigné sous le terme de panneau solaire.

Module photovoltaique


De tels modules ont été dans un premier temps utilisés pour alimenter des satellites en orbite, puis des équipements électriques dans des sites isolés, enfin, la baisse des coûts de production élargit le champ d'application de l'énergie photovoltaïque à la production d'électricité sur les réseaux électriques.

Compte tenu d'un rendement d'environ 10%, la puissance crête d'un panneau photovoltaïque est de l'ordre de 100 à 180 watts par mètre carré. L'énergie captée par un module dépend de la surface du panneau mais aussi de la latitude et de l'ensoleillement du lieu où il se trouve.

Un module photovoltaïque ne génère aucun déchet en fonctionnement, son coût de démantèlement est très faible et ses coûts d'exploitation sont quasi nuls. La durée de vie d'un tel module est supérieure à 20 ans.

Les modules se distinguent en fonction des technologies de silicium qu'ils utilisent :

  • Silicium monocristalin: les capteurs photovoltaïques sont à base de cristaux de silicium encapsulés dans une enveloppe plastique.
  • Silicium polycristalin: Les capteurs photovoltaïques sont à base de polycristaux de silicium, notablement moins coûteux à fabriquer que le silicium monocristalin, mais qui ont aussi un rendement un peu plus faible. Ces polycristaux sont obtenus par fusion des rebuts du silicium de qualité électronique.
  • Silicium amorphe: les panneaux « étalés » sont réalisés avec du silicium amorphe au fort pouvoir énergisant et présentés en bandes souples permettant une parfaite intégration architecturale.

    La recherche est très active dans le domaine du solaire photovoltaïque. Les prix diminuent constamment et les rendements progressent.

    En 20 ans, ils sont passés de 15 % à 36 % dans les laboratoires. Les rendements des systèmes disponibles commercialement sont quant à eux passés de 5 % à plus de 20 %.


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