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Comment fonctionne une cellule solaire photovoltaïque? Rôle et composition
Une cellule solaire photovoltaïque est un composant électronique qui permet de produire de l’électricité grâce à son exposition au soleil. Utilisé seul ou assemblé à d’autres cellules solaires pour former un panneau solaire, ce composant est destiné à la production d’électricité domestique, industrielle, agricole et sert même à alimenter le réseau électrique public. Découvrons ensemble quels sont les différents types de cellules photovoltaïques disponibles, de quoi elles sont composées et quels sont leurs avantages et leurs inconvénients.
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Qu’est-ce qu’une cellule photovoltaïque ?
Le rôle de la cellule photovoltaïque
La cellule photovoltaïque sert à générer de l’énergie solaire. Son but est de capter le rayonnement du soleil, c’est-à-dire sa lumière, afin de le transformer en électricité.
La cellule solaire, ou photovoltaïque, peut fonctionner seule, lorsque les besoins sont moindres, pour une calculette solaire par exemple. Pour répondre à des besoins plus importants, elle est assemblée en modules solaires photovoltaïques, que nous appelons couramment des panneaux solaires.
Les utilisations des cellules photovoltaïques possibles
Les usages de la cellule photovoltaïque sont nombreux.
Lorsqu’elle est utilisée seule, elle peut permettre d’alimenter un point d’éclairage en extérieur (par exemple) ou de faire fonctionner un appareil électrique, ayant de faibles besoins de puissance (comme une calculette ou une montre, entre autres). Dans ces cas-là, elle vient remplacer le rôle joué jusqu’ici par une pile, dont les composants sont toxiques.
Assemblées entre elles, les cellules photovoltaïques forment un panneau solaire qui génère une puissance combinée. Cette dernière permet de créer de l’électricité et d’alimenter différents appareils ou installations électriques. Les usages de la cellule solaire sont multiples. En effet, la cellule photovoltaïque peut par exemple fournir en électricité :
- Une habitation, lorsque l’installation est domestique ;
- Le réseau public d’électricité, dans le cas des centrales solaires thermiques ;
- Les satellites envoyés dans l’espace ;
- Les bateaux solaires, avions solaires et autres véhicules alimentés grâce à des cellules photovoltaïques.
Le fonctionnement de la cellule photovoltaïque
La cellule photovoltaïque fonctionne grâce au rayonnement solaire. Pour générer de l’électricité, elle fait appel à l’effet photovoltaïque qui est obtenu à la suite du choc des photons issus de la lumière solaire sur un matériau semi-conducteur. Ce dernier transmet l’énergie des photons aux électrons qui vont alors créer la tension électrique. Voici le principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque.
Il faut savoir que l’effet photovoltaïque, sur lequel repose le fonctionnement de la cellule solaire, a été découvert au XIXe siècle par Antoine et Edmond Becquerel, des physiciens français. Il a ensuite été utilisé en 1883 par Charles Fritts, qui a mis au point la première cellule photovoltaïque. Cependant, il faudra attendre les années 1950 pour que le développement des cellules solaires s’accélère et se fasse connaître du grand public. De nos jours, le solaire est une solution d’avenir dont on ne pourrait se passer.
Composition de la cellule solaire
Le rôle du composant de la cellule photovoltaïque
Pour produire une quantité intéressante d’électricité, le panneau solaire additionne les courants électriques générés par les cellules photovoltaïques. Selon le matériau de construction utilisé pour élaborer une cellule solaire, la puissance obtenue peut aller du simple au double.
Le rendement du matériau semi-conducteur est d’une grande importance, car à surface égale, il peut être différent d’un matériau à un autre. Il en existe de nombreux, mais le silicium, présent en quantité à la surface de la Terre, est le plus utilisé.
Le silicium amorphe est obtenu à partir de gaz de silicium. Ce gaz est vaporisé sur un support, en verre, en plastique souple ou en métal, grâce à un procédé de projection sous vide. Ces cellules photovoltaïques sont gris foncé.
Le silicium monocristallin
Le silicium monocristallin est le résultat du refroidissement du silicium fondu. Une fois solidifié, il se transforme en un cristal uniforme qui est découpé en tranches fines afin de former la cellule photovoltaïque. La couleur de ce matériau est bleue, sans trace de cristaux ou autres.
Le silicium polycristallin
Pour obtenir du silicium polycristallin, on fait fondre le silicium dans un moule métallique carré et allongé, appelé lingotière. Le coloris de ce type de cellule est bleu et parsemé de motifs laissés par les cristaux. Cette particularité nous permet de reconnaître facilement cette cellule photovoltaïque.
Le tellurure de cadmium (CdTe) est une autre matière première qui permet de concevoir des cellules photovoltaïques. Le procédé de fabrication emprisonne hermétiquement, entre deux supports de verre, une couche d’absorption en tellurure de cadmium.
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Les différents types de cellules photovoltaïques
La cellule photovoltaïque en silicium monocristallin
Ce type de cellule photovoltaïque est l’une des plus répandues. Elle est obtenue à partir de silicium monocristallin, appliqué en une tranche simple. Elle permet de composer des panneaux solaires qui vont produire de l’électricité servant à alimenter une habitation ou le réseau public, par exemple.
La cellule photovoltaïque en silicium polycristallin
Facilement reconnaissable grâce à ses cristaux bleus, cette cellule photovoltaïque se compose d’une seule tranche de silicium. Elle est de forme carrée. On la trouve souvent dans les installations domestiques, agricoles ou industrielles.
La cellule au silicium amorphe
La cellule photovoltaïque au silicium amorphe est composée d’une couche fine de silicium, bien plus fine que les monocristallines ou les polycristallines. On la trouve essentiellement pour alimenter les appareils de faible puissance, comme les montres solaires, les éclairages de jardin ou encore les calculatrices solaires.
La cellule photovoltaïque tandem
La cellule photovoltaïque tandem est quant à elle conçue à partir de deux couches semi-conductrices simples. Cela peut être une couche de silicium amorphe et une autre de silicium cristallin (mono ou poly) par exemple. Elle montre tout son intérêt pour une utilisation industrielle.
La cellule photovoltaïque CIGS
Ce type de cellule photovoltaïque utilise un matériau semi-conducteur fait d’un alliage de cuivre, d’indium, de sélénium et de gallium. Ce mélange est disposé en couche très fine sur un support.
La cellule en couche mince de tellurure de cadmium
Ce modèle de cellule photovoltaïque est composé lui aussi à partir d’un matériau autre que le silicium. Ici, c’est du tellurure de cadmium qui est employé en une seule couche scellée entre deux plaques de verre.
La cellule photovoltaïque multi-jonction
La cellule photovoltaïque multi-jonction se compose de différentes couches de matériaux semi-conducteurs qui convertissent chaque rayon solaire, quelle que soit l’exposition. Les couches sont empilées, formant la cellule photovoltaïque multi-jonction. Pour l’instant, seuls les engins spatiaux en sont pourvus.
Les avantages et les inconvénients de chaque cellule
La cellule photovoltaïque en silicium monocristallin
Cette cellule photovoltaïque offre un rendement d’environ 25 %, l’un des meilleurs sur le marché. La durée de vie des panneaux solaires composés de cellules en silicium monocristallin avoisine les 30 ans, ce qui est très rentable, malgré le coût élevé à l’achat. L’inconvénient de ce type de cellule solaire est qu’elle offre un rendement très faible lorsqu’il n’y a pas assez de soleil. Elle convient donc mieux aux régions les plus ensoleillées.
La cellule photovoltaïque en silicium polycristallin
La fabrication de ce type de cellule photovoltaïque est plus simple que la version en silicium monocristallin. Son coût est donc moindre. Côté rendement du panneau solaire, on peut espérer entre 10 et 15 %, ce qui est nettement inférieur aux cellules monocristallines. Elle a cependant l’avantage de pouvoir être utilisée par temps nuageux, ceci grâce à sa flexibilité d’irradiation.
La cellule au silicium amorphe
Cette cellule solaire présente de nombreux avantages. Elle est tout d’abord peu chère à fabriquer. Elle peut aussi être intégrée sur tout type de support, flexible ou rigide. Un autre point positif est qu’elle capte les rayons solaires même par temps nuageux. Son principal inconvénient est qu’elle offre un faible rendement, environ 7 % au maximum. Pour être rentable, il faut donc que la surface du panneau solaire soit conséquente. De même, ses performances diminuent dans le temps.
La cellule photovoltaïque tandem
Le rendement de ce type de cellule est intéressant, mais sa fabrication complexe en fait une cellule photovoltaïque chère à produire. Comme pour tous les autres modèles, le nettoyage du panneau solaire doit être optimal afin de profiter d’un rendement constant et d’une meilleure longévité.
La cellule photovoltaïque CIGS
Ce type de cellule solaire représente la nouvelle génération de cellules photovoltaïques. Elle offre tout d’abord un rendement très intéressant, entre 10 et 20 %. L’un des principaux avantages est qu’elle est conçue avec des matériaux autres que le silicium, moins toxiques. Aussi, le support utilisé peut être flexible, afin de capter un maximum de rayons solaires. Cependant, pour obtenir un bon rendement, il est nécessaire de prévoir une plus grande surface que pour d’autres types de cellules.
La cellule en couche mince de tellurure de cadmium
Ce type de cellule photovoltaïque utilise une technologie mise en place pour développer le rendement des panneaux solaires. L’enjeu est doublement intéressant, car il permet aussi de diminuer les coûts. Offrant un coefficient thermique bas, ce type de cellule se compose toutefois de produits toxiques, ce qui est un gros inconvénient.
La cellule photovoltaïque multi-jonction
La cellule photovoltaïque multi-jonction offre un rendement optimal, d’environ 40 %. Le seul inconvénient est que ce type de cellule solaire n’est pas commercialisé. En effet, il n’est utilisé que dans le milieu spatial.
Zoom sur les cellules photovoltaïques de demain
Les laboratoires technologiques sont sans cesse à la recherche de nouveaux matériaux semi-conducteurs afin de créer les cellules photovoltaïques de demain. La cellule CZTS n’est encore qu’un projet en cours d’élaboration. Elle marie du cuivre, du zinc, de l’étain et du soufre (ce qui forme le sigle CZTS). Ce sont des matériaux non toxiques et disponibles en grande quantité sur la surface de la Terre. Ces cellules sont composées de pellicules fines qui absorbent l’énergie solaire sur leur support (verre, plastique, etc.). Le rendement est toutefois moyen, tandis qu’on ne peut pas encore définir sa durée de vie, ni le coût de ces panneaux solaires.
Les cellules solaires organiques
Déjà développées pour fabriquer des panneaux solaires, ces cellules photovoltaïques sont composées de matériaux semi-conducteurs de synthèse. On les connaît sous le nom de cellules à colorants, cellules à polymères ou encore cellules à pérovskites. Ces cellules photovoltaïques sont élaborées à partir de fines couches organiques qui sont déposées dans une solution liquide placée entre deux électrodes. Le faible coût de la fabrication et la non-toxicité des matériaux renouvelables utilisés en font une solution d’avenir très intéressante.
