Tout ce qu’il faut savoir sur la cellule photovoltaïque

Les cellules photovoltaïques sont une invention récente dans le monde de l’énergie solaire. Elles fonctionnent en convertissant la lumière du soleil en électricité, puis en stockant cette électricité dans une batterie embarquée. Le concept existe depuis près d’un siècle, mais sa viabilité commerciale n’a commencé qu’il y a une dizaine d’années.

Cette technologie, initialement utilisée pour répondre au besoin pressant d’énergie des installations informatiques, a progressivement évolué. Cette source d’énergie a gagné en importance jusqu’à devenir aujourd’hui un enjeu majeur de la transition énergétique. 

Elle occupe désormais une place importante dans les secteurs industriels et agricoles, mais aussi dans notre vie quotidienne.

Point histoire sur l’effet photovoltaïque
En 1839, un physicien français, Alexandre-Edmond Becquerel, découvre un phénomène : l’effet photovoltaïque. Il découvre la possibilité de produire de l’électricité grâce à la lumière et la présence de matériaux semi-conducteurs.

La première personne à découvrir cela 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.

Les étapes de fabrication d’une cellule photovoltaïque

Le silicium est le deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre, après l’oxygène. Toutefois, il n’existe pas à l’état pur dans la nature. Pour utiliser le silicium, il doit être extrait de la silice (SiO2).

Pour obtenir du silicium, il faut le chauffer dans un four à arc afin de faire fondre la silice. La température du four peut atteindre 3000°C et la puissance du four 30 MW, cela, afin d’amorcer les réactions chimiques. Cependant, divers traitements physiques et chimiques supplémentaires seront nécessaires afin d’obtenir une pureté de 99,999%.

On obtient à la suite de cette opération des lingots à section ronde ou carrée. On découpe ensuite dans le lingot une plaquette d’une épaisseur de 200 à 350 µm, que l’on appelle aussi « wafer ». Une fois enrichie en éléments dopants, on obtient du silicium semi-conducteur de type P ou N.

En quoi consiste le dopage d’une cellule photovoltaïque ?

Dans le domaine photovoltaïque, le dopage est une méthode permettant de modifier un semi-conducteur. Cela, afin de produire des cellules solaires ayant un meilleur rendement de conversion.

Pour ce faire, deux types de semi-conducteurs sont insérés dans la cellule : des semi-conducteurs de type 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 pénétrer dans le matériau et se mêler ainsi aux atomes de silicium.

À la fin de cette étape, la jonction p-n est créée, les plaquettes deviennent alors, des cellules photovoltaïques.

Les différents types de cellule photovoltaïque

Pour fabriquer des cellules photovoltaïques, on utilise des semi-conducteurs, mais les matériaux utilisés pour les fabriquer varient considérablement. À l’heure actuelle, le matériau le plus courant pour un panneau photovoltaïque est le silicium, mais d’autres matériaux sont utilisables. 

Les types de cellules photovoltaïques les plus courants sont les suivants :

Les cellules monocristallines

C’est le type le plus communément utilisé aujourd’hui. Les cellules monocristallines comportent une fine couche de dioxyde de silicium au-dessus d’un monocristal de silicium. C’est cette couche qui rend la cellule monocristalline si efficace pour convertir la lumière du soleil en électricité. La cellule monocristalline est plus chère, mais son rendement est généralement plus élevé.

C’est ce que nous utilisons le plus couramment sur nos centrales au sol et toitures photovoltaïques.

Les cellules polycristallines

Ces cellules comportent plusieurs couches de silicium, chacune étant d’une couleur différente. On empile les différentes couches 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 votre système électrique. Les cellules polycristallines sont moins chères, mais elles n’ont pas une puissance de sortie aussi élevée.

Les cellules amorphes (ou à couche mince)

Ces cellules se composent d’un matériau en silicium amorphe et ont l’avantage d’être imprimables sur des supports flexibles.

Cette technologie est idéale pour les vitres ou pare-brise de voiture, car elles ne nécessitent pas d’équipement spécial. Le silicium amorphe est coûteux à produire en grandes quantités, c’est pour cela qu’il n’est plus couramment utilisé dans les panneaux solaires.

Les cellules photovoltaïques au tellurure de cadmium (CdTe)

Le cadmium est un métal argenté. Ses propriétés physiques sont semblables à celles du zinc, bien qu’il soit chimiquement moins réactif. Ces cellules solides et pas très lourdes présentent des rendements intéressants en raison de leurs caractéristiques. Cependant, l’utilisation du cadmium 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 un semi-conducteur dopé p, il nécessite un autre matériau de dopé n pour que la jonction se fasse, à savoir le sulfure de cadmium.

Ce matériau présente certains avantages, car le tellurure de cadmium 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 à structure cristalline tétragonale. Cette substance a de nombreuses applications potentielles dans le domaine du photovoltaïque. Il s’agit d’un matériau hybride organique-inorganique qui produit des cellules solaires en utilisant la lumière du soleil comme source d’énergie.

Les cellules solaires en pérovskite remplacent le silicium, qui est le matériau le plus couramment utilisé dans les cellules photovoltaïques aujourd’hui. Les cellules à pérovskite ont un rendement de conversion énergétique avantageux d’environ 20 %.

Ces cellules, moins onéreuses à produire se fabriquent plus facilement que les panneaux solaires à base de silicium. Cependant, de nombreux problèmes, notamment d’étanchéité, remettent en cause leur utilisation en extérieur.

Les cellules photovoltaïques tandem

Les cellules photovoltaïques en tandem, également appelées TPC, sont un type de cellule solaire qui comporte deux couches différentes. La première couche est la cellule photovoltaïque à base de silicium et la seconde couche est une cellule solaire organique.

L’idée derrière les cellules tandem est qu’elles ont besoin de moins de surface pour obtenir la même quantité d’énergie qu’une cellule photovoltaïque en silicium. Cela réduit le coût et le poids de l’installation, car il nécessite moins d’équipements généralement nécessaires pour supporter un grand panneau solaire.

Les cellules photovoltaïques multi-jonctions

Les cellules photovoltaïques multi-jonctions sont les cellules solaires à la pointe de la technologie. Une cellule photovoltaïque à jonctions multiples est un type de cellule solaire qui a plusieurs jonctions.

Le rendement des cellules photovoltaïques à multi-jonctions présente une efficacité spectaculaire, supérieure à 40 %.

Chaque semi-conducteur est constitué d’une couche distincte. Elle est composée de plusieurs semi-conducteurs empilés les uns sur les autres. Cela permet d’utiliser une grande partie du spectre afin de rendre les panneaux solaires aussi efficaces que possibles.

Les cellules photovoltaïques CIGS

Ces différents acronymes représentent les éléments chimiques suivants : cuivre, indium, gallium, sélénium et représentent une technique de production de cellules photovoltaïques à couche mince à haute performance.

Elles fonctionnent par hétérojonction comme c’est le cas avec le tellurure de cadmium.

Ces composés possèdent des capacités d’absorption très élevées et ne sont pas toxiques pour l’environnement ou la santé. Toutefois, l’indium est un matériau qui pourrait se raréfier en raison de son utilisation dans la fabrication d’appareils de haute technologie, à l’exemple des écrans LCD.

La composition d’une cellule photovoltaïque

La grande majorité des cellules photovoltaïques sont conçues et fabriquées principalement à partir d’un seul matériau : le silicium.

Le silicium (Si)

C’est un élément abondant trouvé dans la nature et peut être trouvé dans de nombreux organismes vivants. Il existe depuis longtemps sous forme de dioxyde de silicium (SiO2).

La forte demande de silicium observée ces dernières années a conduit au développement de méthodes moins onéreuses.

La forme de silicium la plus couramment utilisée aujourd’hui est les puces de silicium que l’on trouve dans tous les appareils électroniques numériques. Il est également utilisé dans la fabrication de cellules photovoltaïques et d’autres dispositifs produisant de l’électricité à partir de la lumière du soleil.

Pour y parvenir, la purification du silicium destiné à l’industrie photovoltaïque doit être supérieure à 99,999 %.

L’inconvénient du silicium

Malgré l’abondance et la non-toxicité de la silice, l’extraction de ce matériau accélère l’érosion des sols et menace l’équilibre des écosystèmes. Il en va de même pour sa transformation en silicium, car elle nécessite d’énormes quantités d’eau et l’utilisation de produits toxiques.

Cependant, un rapport du Ministère de la transition écologique préconise de délocaliser l’extraction des ressources minérales et les différentes étapes de fabrication, en utilisant le tissu industriel existant, ce qui aura pour effet d’améliorer le bilan environnemental des panneaux photovoltaïques, qui est largement inférieur à celui du charbon ou du gaz.

Qu’est-ce qu’une cellule photovoltaïque et comment fonctionne-t-elle ?

Les cellules photovoltaïques sont des dispositifs qui convertissent la lumière du soleil en électricité. Ces cellules sont constituées de matériaux semi-conducteurs qui génèrent un courant électrique lorsqu’elles sont touchées par la lumière.

Le processus de conversion de l’énergie dans une cellule photovoltaïque se déclenche lorsque des photons frappent le matériau semi-conducteur, elle excite les électrons à un niveau d’énergie plus élevé, leur permettant de commencer à circuler dans une direction.

Une fois que les électrons commencent à circuler, ils traversent le circuit externe, produisant ainsi un courant électrique.

Quel est le rendement d’un module photovoltaïque et comment l’optimiser ?

Le rendement d’une cellule photovoltaïque consiste à chaque instant à convertir la faisceau lumineux nécessaire pour produire de l’énergie électrique. Son efficacité peut varier selon les conditions météo, et ses performances dépendent de nombreux facteurs, dont le type de terrain, la qualité des connexions et l’étendue de la zone couverte. 

Le rendement d’un module photovoltaïque dépend de plusieurs 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.

Cellules monocristallines: ces cellules convertissent environ 15 à 20 % de l’énergie solaire en électricité.

Cellule polycristallines: ces cellules convertissent environ 10 à 15 % de l’énergie solaire en électricité.

Cellule amorphes: ces cellules convertissent environ 5 à 13 % de l’énergie solaire en électricité.

Le recyclage d’un panneau photovoltaïque

Les panneaux photovoltaïques dont la durée de vie est d’au moins 30 ans, utilisent des matériaux qui sont recyclables à plus de 94% pour un module photovoltaïque à base de silicium cristallin avec cadre en aluminium.

La plupart des panneaux solaires 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 fermé » sert à fabriquer de nouveaux panneaux photovoltaïques, il utilise des matériaux recyclés tels que 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 photovoltaïques est important, avec un taux de recyclage élevé aujourd’hui et une chaîne de traitement prometteuse.

Nos panneaux photovoltaïques sont recyclés par l’organisme PV Cycle.

La cellule photovoltaïque de demain

Les panneaux bifaciaux

La technologie actuelle des panneaux photovoltaïques utilise uniquement la face exposée au soleil pour produire de l’énergie. La face arrière est principalement utilisée pour le passage des câbles.

Mais cela pourrait changer grâce aux panneaux bifaciaux, qui permet de capturer la lumière réfléchie par l’environnement, notamment le sol. Cette technologie permettra d’augmenter les rendements des centrales électriques, à condition d’optimiser son implantation, car elle implique de prendre à 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

L’avantage des cellules photovoltaïques organiques est qu’elles sont légères, flexibles et peuvent être produites à faible coût à partir de simples plastiques.

Les cellules photovoltaïques organiques sont des cellules solaires qui ne sont pas basées sur des semi-conducteurs inorganiques, mais sur de la matière organique.

Ces cellules sont fabriquées à partir de grandes molécules comportant des doubles liaisons conjuguées, identiques à celles que l’on trouve dans certains plastiques. Cela signifie qu’elles peuvent être produites en masse plus facilement.

Les cellules photovoltaïques organiques ont été appliquées à une variété de dispositifs de conversion d’énergie solaire, tels que des chargeurs de téléphones portables et des ordinateurs portables.

Quel avenir pour le photovoltaïque ?

L’avenir de l’énergie solaire s’annonce radieux. L‘IEA (International Energy Agency) prévoit que la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique mondial passera à 33 % d’ici 2030. Cela signifie que l’énergie solaire atteindra 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 à l’utilisation généralisée des cellules photovoltaïques étaient le coût, mais les récentes améliorations de la technologie de fabrication ont rendu les cellules photovoltaïques abordables, et même compétitives par rapport aux autres sources d’énergie.

Les cellules photovoltaïques constituent donc une solution potentielle pour l’avenir des besoins énergétiques.