La cellule photovoltaïque : comment ça marche ?

Actualisé le 23.05.2024
Lycée
Physique - chimie

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Une est un composant électronique qui convertit l’énergie lumineuse du soleil en énergie électrique. Cet fut découvert en 1839 par le physicien français Antoine Becquerel1. Il faut attendre les années 1960 et les satellites spatiaux pour que les cellules trouvent de réelles applications. Les panneaux solaires, formés par des assemblages de cellules, commencent à arriver sur les toits à la fin des années 1980. L’essor du photovoltaïque, avec de grands parcs de production électrique, n’a plus cessé depuis le début du XXIe siècle.

Le principe de fonctionnement

Le fonctionnement de la est fondé sur les propriétés de semi-conducteurs qui, percutés par les photons de la lumière, mettent en mouvement un flux d’électrons. Les photons sont des particules élémentaires qui transportent l’énergie solaire à 300 000 km/s et qu’Albert Einstein appelait dans les années 1920 les « grains de lumière ». Lorsqu’ils frappent un élément comme le , ils arrachent des électrons à ses atomes. Ces électrons se mettent en mouvement, de façon désordonnée, à la recherche d’autres « trous » où se repositionner.

Mais pour qu’il y ait un courant électrique, il faut que ces mouvements d’électrons aillent tous dans le même sens. Pour les y aider, on va associer deux types de silicium. La face exposée au soleil est « dopée » avec des atomes de phosphore qui comportent plus d’électrons que le silicium, l’autre face est dopée avec des atomes de qui comportent moins d’électrons. Cette double face devient une sorte de pile : le côté très chargé en électrons devient la borne négative (N), le côté avec moins d’électrons devient la borne positive (P). Entre les deux il se crée un champ électrique.

Quand les photons viennent exciter les électrons, ceux-ci vont migrer vers la zone N grâce au champ électrique, tandis que les « trous » vont vers la zone P. Les électrons sont récupérés par des contacts électriques déposés à la surface des deux zones avant d’aller dans le circuit extérieur sous forme d’énergie électrique. Un courant continu se créé. Une couche anti-reflet permet d’éviter que trop de photons se perdent en étant réfléchis par la surface. Voir le schéma ci-dessous.

                     Le principe de la cellule photovoltaïque

 

Qu'est-ce que le rendement d’une cellule photovoltaïque ?

Le rendement est le rapport entre la électrique produite et la puissance lumineuse qui tombe sur la cellule. Pour définir celui-ci, les cellules, rassemblées en modules puis en panneaux, sont étalonnées en étant placées face à un simulateur solaire, qui reproduit les conditions optimales : un ensoleillement de 1 000 W de lumière par mètre carré, une température ambiante de 25° C. La puissance électrique créée, dite puissance crête, est un pourcentage de la puissance solaire reçue. 

Par exemple, si un panneau d’1 m2 produit une puissance électrique de 200 W par m2, ce qui est souvent le niveau d’un panneau commercialisé aujourd’hui, son rendement est de 20 %.

L’effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par le physicien français Edmond Becquerel

Dans les conditions réelles, la quantité d’électricité que produira la cellule, appelée le « productible », dépendra de ce rendement mais aussi du niveau d’ensoleillement moyen de la région sur un an. Un panneau de même rendement produira trois fois plus d’électricité dans le désert du Sahara qu’en région parisienne.

Qu’appelle-t-on le rendement d’un panneau photovoltaïque ?

C’est le rapport entre la puissance électrique produite et la puissance lumineuse du soleil qui tombe sur le panneau. Il est autour de 20 % pour la plupart des panneaux commercialisés.

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Les différents types de cellules photovoltaïques

On distingue plusieurs familles de cellules. Leurs rendements sont en perpétuel progrès.

Les cellules au silicium cristallin

Le silicium est extrait de la silice, dont une des formes est le quartz, très abondant dans les sables. Les cellules au silicium constituent plus de 95 % du marché et leur rendement moyen, pour les produits commerciaux, va de 16,5 % à 22 % selon leur technologie. 

Avec un traitement à froid, le silicium est formé de plusieurs cristaux (polycristallin). Il est facile à produire et peut atteindre des rendements dépassant 22 % en laboratoire. Avec un traitement à chaud, le silicium peut être fondu et reconstitué en un grand cristal (monocristallin), avec un rendement jusqu’à 26,6 % en laboratoire.  

Le prix de ces cellules silicium est devenu très compétitif avec d’autres solutions de production d’électricité ces dernières années.           

Les cellules en couches minces

Au lieu de couper le silicium en fines plaquettes d’environ 200 microns2, il est possible de déposer des matériaux semiconducteurs en couches d’une épaisseur de quelques microns sur un substrat, par exemple du verre ou du plastique. On peut utiliser comme semi-conducteurs du tellurure de cadmium ou du CIGS (cuivre / indium / gallium / sélénium). Les rendements en laboratoire sont proches de ceux du silicium mais ces cellules ont l’avantage d’être plus flexibles et légères, et d’un coût de revient inférieur.

1 micron :
l’épaisseur (1/1000 de mm) du semi-conducteur déposé pour fabriquer les cellules photovoltaïques à couches minces.
Les cellules du photovoltaïque organique (OPV) 

Fondées sur des molécules ou des polymères de la chimie organique et non plus sur des semi-conducteurs minéraux comme les précédentes, ces cellules commencent à avoir des applications. Leurs rendements sont encore faibles et la stabilité à long terme n’est pas suffisante mais elles pourraient avoir un très bas coût de production. On rencontre aussi des cellules à pigments photosensibles inspirées de la végétale appelées cellules à colorants.

Qu’est-ce que le photovoltaïque « organique » ?

C’est une technique qui utilise des molécules de la chimie organique et non plus des semi-conducteurs minéraux comme le silicium.

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Les pérovskites

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 23,7 %).

Même si elles nécessitent encore beaucoup de recherches avant industrialisation car elles présentent des problèmes d’instabilité, elles ont de nombreux avantages : légères, souples, avec la possibilité d’être manipulées sous forme d’encre pour de grands revêtements, elles ont surtout un coût de fabrication peu élevé.

 

Vers une convergence des technologies

Les chercheurs du monde entier travaillent sur des combinaisons entre ces différentes familles pour créer des cellules dites multi-jonctions. Les études portent surtout sur des cellules doubles dites « tandem », associant du silicium et des couches minces.

Le rendement d’une cellule avec une seule jonction P-N ne peut pas dépasser une limite théorique d’environ 33 %, appelé « limite de Shockley-Queisser ». Des cellules à multiple jonctions P-N ont quant à elles une limite théorique supérieure à 50 %. Déjà, chaque année, des records de rendement de cellules en laboratoire atteignent les 48 %. 

 

  1. Son fils Henri Becquerel découvrit en 1903, avec Pierre et Marie Curie, les principes de la .
  2. 1 micron = 1/1000 de millimètre

 

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