Cellule photovoltaïque : principe de fonctionnement, types et rendement

C’est quoi une cellule photovoltaïque ?

Aussi appelée cellule solaire, la cellule photovoltaïque est un composant électronique situé au cœur de chaque panneau photovoltaïque. Fabriquée avec du silicium qui est un matériau semi-conducteur, elle convertit la lumière du soleil en électricité grâce à l’effet photovoltaïque.

Il faut assembler plusieurs cellules solaires en série pour créer un panneau photovoltaïque. Elles sont alors montées sur une grille conductrice. Leur nombre dépend du type de panneau, mais aussi de la puissance ciblée.

Composition d’une cellule photovoltaïque

Une cellule photovoltaïque se compose de plusieurs couches de matériaux, dont la plus importante est la plaquette de silicium. D’une épaisseur comprise entre 200 et 300 micromètres, celle-ci comporte elle-même :

• Une couche semi-conductrice dopée négativement, appelée couche type N car présentant un excès d’électrons ; cette couche correspond à celle qui est exposée aux rayons du soleil ; le dopage se fait au phosphore dont les atomes comportent 5 électrons, soit 1 de plus que le silicium ;
• Une autre couche dopée positivement, appelée couche type P qui présente un déficit d’électrons ; cette couche inférieure est dopée au bore, un matériau dont les atomes n’ont que 3 électrons ;
• Des électrodes collées contre la face inférieure et supérieure de la plaquette pour recueillir le courant électrique produit ; sur la face supérieure, le nombre de conducteurs est réduit afin de permettre à la lumière du soleil de pénétrer dans la couche type N ; par ailleurs, cette face supérieure reçoit un traitement anti-reflet pour mieux absorber la lumière;
• L’ensemble forme ce qu’on appelle la jonction P-N qui permet de créer un champ électrique permanent, à l’instar de ce qui se passe dans une pile.

Les différents types de cellules photovoltaïques

Plusieurs types de cellules photovoltaïques sont à distinguer. Elles diffèrent les unes des autres par les caractéristiques du matériau semi-conducteur utilisé pour leur conception.

Cellules monocristallines

Les cellules monocristallines sont les plus utilisées actuellement dans le domaine du photovoltaïque. Elles sont fabriquées à partir d’un seul cristal de silicium souche. Leur processus de fabrication est plus complexe, ce qui explique leur prix plus élevé.

Les cellules monocristallines se distinguent par leur couleur bleu-noir qui est due à la grande pureté des cristaux. Plus épaisses et parfaitement homogènes, elles captent mieux la lumière du soleil, d’où également leur rendement plus élevé.

Cellules polycristallines

Les cellules polycristallines se reconnaissent à leur couleur bleue et leur aspect non-homogène. Leur processus de fabrication utilise un bloc de silicium constitué de plusieurs cristaux. Ceux-ci sont composés de chutes de silicium issues de la fabrication des cellules monocristallines. Les cellules polycristallines ont ainsi un coût de fabrication moindre grâce aux économies de matériaux. Mais elles ont aussi un rendement plus faible.

Cellules en pérovskite

La cellule photovoltaïque en pérovskite est encore à l’étape des essais en laboratoire. La pérovskite est un matériau hybride composé d’une partie organique et d’une partie inorganique. Les cellules en pérovskites présentent l’avantage d’être souples et légères, ce qui permet de les poser sur tous types de surfaces. De plus, leur fabrication nécessite une faible quantité de matériau. Cependant, leur instabilité et leur manque d’étanchéité représentent un frein à leur production.

Cellules amorphes

Les cellules amorphes sont élaborées avec du cristal de silicium amorphe, auquel on ajoute souvent de l’indium. La couche de silicium utilisée est très fine – d’une épaisseur de quelques microns seulement. Cela permet à ce type de cellule photovoltaïque d’être flexible. Son inconvénient majeur réside dans son faible rendement.

Cellules organiques

La fabrication des cellules organiques fait appel à des matériaux issus de la chimie organique. La couche active de ces cellules est constituée de molécules organiques ou de polymères. Malgré leur faible coût de fabrication, elles ont l’inconvénient d’être instables à long terme.

Autres types de cellules photovoltaïques

Il existe d’autres technologies de cellules photovoltaïques qui sont à l’étape de l’expérimentation ou principalement employées dans le domaine spatial.

C’est le cas des cellules à multiples jonctions (plusieurs jonctions P-N) qui offrent un rendement pouvant atteindre 50%. Les cellules « multi-jonctions » sont constituées de plusieurs couches de matériaux semi-conducteurs, ce qui augmente leur efficacité.

Les cellules CIGS (cuivre, indium, galium, sélénium) sont flexibles, mais elles nécessitent une plus grande surface pour obtenir un bon rendement.

Les cellules en tellurure de cadmium, enfin, se distinguent par leur coefficient de température bas permettant potentiellement d’obtenir un bon rendement. Cependant, le cadmium est un matériau assez toxique, ce qui freine le développement de ce type de cellule photovoltaïque.

Comment fonctionne une cellule solaire photovoltaïque ?

Les cellules photovoltaïques produisent de l’électricité grâce à l’effet photovoltaïque.

• Lorsque les photons de la lumière solaire frappent la surface des cellules, ils libèrent des électrons issus des atomes de silicium ;
• Ces électrons se déplacent dans tous les sens, mais en empruntant un chemin qui va de la couche P vers la couche N ;
• Ce déplacement des électrons de la borne positive vers la borne négative crée un courant électrique ;
• Chaque cellule produit une faible tension électrique qui s’additionne à celles des autres pour générer un courant continu;
• Le courant continu est ensuite acheminé vers les bornes de sortie de chaque module ; il est converti en courant alternatif par un micro-onduleur ou un onduleur central.

Le saviez-vous ? L’effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par le physicien français Edmond Becquerel.

Quel est le rendement d’une cellule photovoltaïque ?

Le rendement d’une cellule photovoltaïque désigne sa capacité à convertir en électricité une certaine quantité d’énergie solaire reçue à sa surface. Il est exprimé en pourcentage de cette énergie captée. Le rendement varie beaucoup en fonction de la technologie employée. Voici un tableau résumant l’efficacité des différentes technologies de cellules photovoltaïques.

Quelle est la durée de vie d’une cellule photovoltaïque ?

Les cellules solaires perdent progressivement leurs performances, elles conservent 90% de leur capacité au bout d’environ 10 ans et 80% au bout de 25 ans. Toutefois, leur longévité dépend de la technologie. Les cellules amorphes ont la durée de vie la plus faible, estimée à environ 10 ans. Elle peut aller jusqu’à 40 ans pour les cellules monocristallines, et environ 30 ans pour les cellules polycristallines.

Recyclage des cellules solaires et des panneaux photovoltaïques

Les panneaux photovoltaïques sont des équipements d’énergie renouvelable ayant un faible impact environnemental, notamment parce qu’ils sont recyclables à 95%. Presque tous les composants d’un module photovoltaïque peuvent être récupérés et réutilisés, y compris les cellules photovoltaïques.

• Les cellules solaires sont récupérées et réutilisées jusqu’à 4 fois pour fabriquer de nouveaux panneaux solaires photovoltaïques ;
• L’aluminium constituant le cadre du panneau est recyclable à l’infini;
• C’est aussi le cas du verre ;
• Le plastique et l’encapsulant sont transformés en granulés pour alimenter d’autres filières de production ;
• Le cuivre est récupéré pour fabriquer de nouveaux câbles électriques.