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La cellule photovoltaïque : comment ça marche ?

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé aux photons de la lumière, produit de l’électricité. Cet effet photovoltaïque 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.

Une chercheuse japonaise examine un des nouveaux types de cellules photovoltaïques organiques, avec des pigments colorés sensibles à la lumière ©Toru YAMANAKA / AFP

Le principe de fonctionnement

Le fonctionnement de la cellule photovoltaïqueDispositif qui transforme l'énergie lumineuse en courant électrique. est fondé sur les propriétés de semi-conducteurs qui, percutés par les photons, mettent en mouvement un flux d’électronsLa matière est composée d'atomes. Un atome comporte un noyau formé de protons (particules de charge électrique positive) et de neutrons.... 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 semi-conducteurUn semi-conducteur est un matériau dont la capacité à conduire l’électricité (la conductivité), initialement faible, peut augmenter en fonction de certains facteurs... comme le siliciumLes cristaux de silicium sont issus de la silice, principal composant du sable et du quartz. Le silicium est un matériau semi-conducteur., ils arrachent des électrons à ses atomesL'atome est le constituant fondamental de la matière, la plus petite unité indivisible d'un élément chimique.... 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 boreLe bore est un élément chimique (symbole B) de type métalloïde et semi-conducteur... 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. Ils 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.

                     Le principe de la cellule photovoltaïque

 

Le rendement d’une cellule photovoltaïque

Le rendement est le rapport entre la puissanceEn physique, la puissance représente la quantité d'énergie fournie par un système par unité de temps... 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.  Si un panneau d’1 m2 produit une puissance électrique de 200 W, son rendement sera de 20 %. Le rendement de ce type de cellules ne peut pas dépasser une limite théorique d’environ 33%, appelé « limite de Shockley-Queisser ».

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 », sera calculée en tenant compte de son rendement, du niveau d’ensoleillement moyen de la région sur un an et des conditions de l’installation. L’énergie solaire incidente passe de 1 MWh/m2/par an en région parisienne, à environ 1,7 dans le sud de la France et près de 3 dans le désert du Sahara. Un panneau de 15 % de rendement produira donc 150 kWh/m2/an en région parisienne et 450 dans le Sahara.  

 

Les différents types de cellules photovoltaïques

On distingue trois grandes familles de cellules. Leurs rendements sont en perpétuel progrès2.

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 atteint un rendement dépassant 22 % en laboratoire. Fondu, le silicium peut être reconstitué en un grand cristal (monocristallin), avec un rendement jusqu’à 26,6 % en laboratoire. Voir l’infographie. 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 microns3, 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 du tellurure de cadmium ou du CIGS (cuivre / indium / gallium / sélénium). Les rendements en laboratoire sont proches de ceux du silicium (22,1 % et 23,3 % respectivement). Le silicium peut également être utilisé en couches minces s’il est sous sa forme « amorphe » (non cristallisée). C’est la technologie rencontrée depuis longtemps dans les petites calculatrices mais le rendement est plus faible.

Les cellules organiques 

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

Fondées sur des molécules ou des polymères de la chimie organique et non plus sur des semi-conducteurs minéraux comme les précédentes, elles commencent à avoir des applications. Leurs rendements sont encore faibles et la stabilité à long terme n’est pas suffisante mais ces cellules pourraient avoir un très bas coût de production. On rencontre aussi des cellules à pigments photosensibles inspirées de la photosynthèseLa photosynthèse est le processus par lequel les plantes (sous l'action de la lumière du soleil) transforment le CO2 et l'eau en matière végétale... végétale appelées cellules à colorants.

Les perovskites

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 multi-jonctions. L’association de plusieurs types de cellules permet en effet de dépasser largement le plafond théorique du rendement (33,5 %), tout en maintenant des coûts faibles. Les études portent surtout sur des cellules doubles dites « tandem », associant du silicium et des couches minces, dont le rendement théorique est de 43 %. Les cellules multi-jonctions ont une limite théorique supérieure à 50 %.

 

(1) Son fils Henri Becquerel découvrit en 1903, avec Pierre et Marie Curie, les principes de la radioactivitéDécouverte en 1896 par le physicien français Henri Becquerel, la radioactivité est un phénomène naturel....

(2) Un suivi des rendements est tenu constamment à jour. Voir NREL – https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/pv-efficiency-chart.20181221.pdf    

(3) 1 micron = 1/1000 de millimètre