Comprendre la cellule photovoltaïque, le cœur des panneaux solaires

Qu’est-ce qu‘une cellule photovoltaïque ?

Définition et principes de base

La cellule photovoltaïque représente une technologie essentielle dans le domaine de la production d’électricité à partir de l’énergie solaire. Son principe repose sur l’effet photovoltaïque, qui permet la conversion directe de la lumière solaire en électricité. Cette technologie occupe aujourd’hui une place centrale dans les stratégies de développement des énergies renouvelables à travers le monde.

Origine et découverte de l’effet photovoltaïque

L’effet photovoltaïque a été observé pour la première fois par le physicien français Alexandre Edmond Becquerel en 1839. Cette découverte a marqué les premiers pas vers l’exploitation de l’énergie solaire, proposant une méthode révolutionnaire pour générer de l’électricité sans mouvement mécanique ou combustion. Cette avancée s’est appuyée sur la compréhension que certains matériaux pouvaient produire un courant électrique lorsqu’ils sont exposés à la lumière.

Quelques notions importantes pour comprendre la cellule photovoltaïque

Comprendre les semi-conducteurs
Les semi-conducteurs sont des matériaux ayant des propriétés électriques intermédiaires entre les conducteurs (comme les métaux, qui conduisent très bien l’électricité) et les isolants (comme le verre, qui ne conduisent pas l’électricité).

Ils sont essentiels pour la fabrication de composants électroniques tels que les transistors, les diodes et les circuits intégrés, qui sont à la base de presque tous les appareils électroniques modernes, des ordinateurs aux smartphones en passant par les appareils ménagers et les systèmes de transport.

Le silicium est le principal semi-conducteur utilisé pour les cellules photovoltaïques. Élément chimique abondant, il se distingue par sa capacité à convertir efficacement la lumière et par ses propriétés idéales en termes de bande interdite.

Comprendre la bande interdite
Les électrons ont des niveaux d’énergie spécifiques où ils peuvent résider. Dans les solides, ces niveaux d’énergie se regroupent en larges bandes. Il y a deux bandes importantes à considérer dans les semi-conducteurs :

1. La bande de valence : c’est la bande d’énergie la plus haute où se trouvent normalement les électrons. Elle est généralement remplie ou presque remplie d’électrons.
2. La bande de conduction : c’est la bande d’énergie juste au-dessus de la bande de valence, où les électrons peuvent se déplacer librement. Elle est normalement vide dans un matériau isolant ou semi-conducteur au repos.

La « bande interdite » est l’espace d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction où il n’y a pas de niveaux d’énergie disponibles pour les électrons. Pour qu’un électron puisse contribuer à la conduction de l’électricité, il doit être excité (par exemple, par la chaleur ou la lumière) pour sauter de la bande de valence à la bande de conduction, en traversant cette bande interdite.

La largeur de cette bande interdite détermine si un matériau est un conducteur, un semi-conducteur, ou un isolant. Ainsi, les semi-conducteurs ont une bande interdite modérément large. Ainsi, les semi-conducteurs ont une bande interdite modérément large : l’énergie de la lumière solaire est suffisante pour exciter les électrons, c’est-à-dire les faire passer de la bande de valence à la bande de conduction.

Les différentes couches d’une cellule photovoltaïque
Une cellule photovoltaïque est structurée en plusieurs couches, chacune ayant un rôle spécifique dans le processus de conversion de l’énergie solaire.

La couche de semi-conducteur, qui se divise en sections de type p (positive) et type n (négative), forme une jonction essentielle au bon fonctionnement de la cellule. Cette jonction est encadrée par des couches conductrices qui collectent l’électricité produite. Pour créer la borne négative, il va falloir stimuler le silicium dans la couche supérieure du panneau solaire, celle qui est directement exposée au rayonnement du soleil. On parle de dopage du silicium. Cela consiste à ajouter des atomes à ces couhes pour améliorer la conductivité du matériau. Pour optimiser l’absorption de la lumière et réduire les pertes par réflexion, un revêtement antireflet est appliqué sur la surface exposée au soleil.

Types de cellules photovoltaïques et technologies émergentes

Les technologies photovoltaïques ont connu une évolution significative depuis les premières découvertes. Aujourd’hui, divers types de cellules photovoltaïques sont disponibles, chacune offrant des caractéristiques et avantages uniques. Le silicium demeure le matériau le plus utilisé, mais de nouvelles technologies émergent, promettant d’améliorer le rendement et de réduire les coûts de production.

Cellules photovoltaïques en silicium

Monocristallines et polycristallines : quelles caractéristiques et différences ?
Les cellules photovoltaïques en silicium monocristallin sont réputées pour leur efficacité supérieure en comparaison avec les autres types de cellules silicium. Elles sont fabriquées à partir d’un unique cristal de silicium, permettant aux électrons une plus grande liberté de mouvement et donc une meilleure production d’électricité. Leur couleur noire distinctive et leur rendement élevé les rendent particulièrement attrayantes, malgré un coût de fabrication plus élevé.

À l’inverse, les cellules en silicium polycristallin, reconnaissables à leur teinte bleutée et à leur aspect moins uniforme, sont constituées de multiples cristaux de silicium. Cette structure entraîne une réduction de l’efficacité due aux frontières de grain où les électrons sont susceptibles de perdre leur énergie. Néanmoins, leur processus de fabrication est plus simple et donc moins coûteux.

Le silicium amorphe et son application aux cellules photovoltaïques
Le silicium amorphe, utilisé dans les technologies de cellules solaires à couche mince, offre l’avantage d’être plus flexible et moins coûteux à produire que le silicium cristallin. Bien que son rendement soit généralement inférieur, son application sur des supports flexibles ouvre de nouvelles voies pour l’intégration photovoltaïque dans les matériaux de construction et les dispositifs portables.

Les technologies émergentes

Le potentiel des cellules à base de pérovskite et leur potentiel
Les cellules photovoltaïques à base de pérovskite sont une innovation prometteuse, offrant un potentiel de rendement élevé et un coût de production potentiellement bas. Leur facilité de fabrication et la possibilité d’être imprimées sur différents supports les positionnent comme une solution d’avenir pour le solaire photovoltaïque.

Les cellules à hétérojonction : des avantages en termes de rendement
La technologie des cellules à hétérojonction combine 2 matériaux semi-conducteurs pour en exploiter le meilleur. Par exemple, on peut combiner le silicium cristallin avec des couches minces de silicium amorphe. Cette assemblage permet d’exploiter le meilleur des deux matériaux :

• la stabilité et l’efficacité du silicium cristallin ;
• la capacité du silicium amorphe à absorber la lumière sur une plus large gamme de longueurs d’onde.

Autres innovations en termes de cellule photovoltaïque
La conception de cellules photovoltaïques ne cesse d’évoluer pour exploiter au mieux le potentiel des matériaux utilisés. Par exemple le photovoltaïque “à concentration” utilise des systèmes optiques pour intensifier la lumière incidente sur les cellules, représente une autre stratégie prometteuse pour améliorer l’efficacité.

Les recherches se concentrent également sur l’arséniure de gallium et d’autres “matériaux exotiques” qui promettent des performances supérieures dans la conversion de l’énergie solaire en électricité. Une amélioration continue de l’efficacité des cellules photovoltaïques est essentielle pour accroître la compétitivité de l’énergie solaire face aux sources d’énergie conventionnelles.

Les autres facteurs de rendement des cellules photovoltaïques

L’efficacité d’une cellule photovoltaïque est un paramètre déterminant quant à la quantité d’énergie solaire pouvant être convertie en électricité. Plusieurs facteurs influencent cette efficacité, allant de la nature physique des matériaux utilisés à la conception même des cellules.

L’importance de la bande interdite

La bande interdite d’un matériau semi-conducteur joue un rôle fondamental dans la détermination de l’efficacité d’une cellule photovoltaïque. Comme nous l’avons vu plus haut, elle correspond à l’énergie minimale nécessaire pour qu’un électron passe de la bande de valence à la bande de conduction, permettant ainsi la génération d’un courant électrique.

Un photon dont l’énergie est inférieure à celle de la bande interdite ne peut pas contribuer à la production d’électricité, tandis que l’énergie excédentaire des photons plus énergétiques est perdue sous forme de chaleur. Le silicium, avec une bande interdite de 1.12 électron-volts, offre un compromis entre absorption de la lumière et minimisation des pertes thermiques, ce qui en fait un choix populaire pour la fabrication des cellules photovoltaïques.

L’importance de la réduction des reflets

Les revêtements antireflets sont essentiels pour augmenter le rendement des cellules photovoltaïques en réduisant la quantité de lumière solaire qui est réfléchie et non utilisée. Ces revêtements permettent une meilleure absorption de la lumière par le semi-conducteur, ce qui se traduit par une production d’électricité accrue. L’application de couches antireflets optimise l’interaction lumière-matière au sein de la cellule photovoltaïque, réduisant ainsi les pertes d’énergie et améliorant l’efficacité globale.

Applications des cellules photovoltaïques

Du résidentiel à l’industriel : diversité des applications

Les cellules photovoltaïques ont trouvé leur place sur les toits des maisons, des bâtiments commerciaux et des installations industrielles, offrant une source d’électricité propre et renouvelable. Dans le secteur résidentiel, les panneaux solaires photovoltaïques permettent aux particuliers de réduire leur dépendance aux réseaux électriques et de diminuer leur empreinte carbone.

Sur le plan industriel, l’énergie solaire photovoltaïque peut alimenter des sites de grande envergure, contribuant à la durabilité des entreprises et à la réduction des coûts énergétiques.

Intégration architecturale et solutions BIPV (Building Integrated PhotoVoltaics)

L’intégration des cellules photovoltaïques dans le bâti, connue sous l’acronyme BIPV, repousse les limites de l’application solaire traditionnelle. Cette approche permet aux panneaux d’être intégrés esthétiquement dans les façades, les toits, et même les fenêtres des bâtiments, transformant ainsi les structures en générateurs d’énergie.

Les solutions dites “BIPV” ne se contentent pas de produire de l’électricité ; elles contribuent également à l’isolation thermique et à l’esthétique architecturale, représentant ainsi une fusion entre fonctionnalité et design.

Les enjeux environnementaux des cellules photovoltaïques

Impact environnemental de la production et du recyclage

Bien que les cellules photovoltaïques soient une source d’énergie propre pendant leur phase d’utilisation, leur fabrication et leur fin de vie posent des défis environnementaux. La production des panneaux solaires nécessite des ressources précieuses et peut entraîner l’émission de gaz à effet de serre.

Cependant, l’industrie s’efforce de minimiser ces impacts par l’innovation dans les procédés de fabrication et le développement de stratégies de recyclage efficaces pour les panneaux en fin de vie. Ces efforts visent à assurer que le photovoltaïque reste une solution véritablement durable pour la production d’énergie.

Le photovoltaïque dans la transition énergétique

L’intégration croissante de l’énergie solaire photovoltaïque dans le mix énergétique mondial joue un rôle important dans la transition vers une économie moins dépendante des combustibles fossiles. En fournissant une source d’énergie renouvelable, fiable et de plus en plus abordable, le photovoltaïque contribue à la lutte contre le changement climatique et soutient les objectifs de développement durable.

L’expansion du solaire photovoltaïque a un rôle à jouer pour atteindre une sécurité énergétique globale et pour promouvoir une croissance économique respectueuse de l’environnement dans les décennies à venir.

Défis et opportunités des cellules photovoltaïques

Enjeux de la production à grande échelle et de la réduction des coûts

Le passage à la production à grande échelle de technologies photovoltaïques innovantes est nécessaire pour répondre à la demande croissante en énergies renouvelables. Cela implique non seulement des avancées technologiques mais aussi des améliorations dans les processus de fabrication et la chaîne d’approvisionnement. La réduction des coûts reste un objectif majeur pour rendre l’énergie solaire compétitive par rapport aux sources d’énergie traditionnelles, sans subventions.

L’adaptation aux besoins énergétiques futurs et à la variabilité de la production

L’intégration de l’énergie solaire dans le mix énergétique pose le défi de l’intermittence et de la variabilité de la production. Le développement de solutions de stockage d’énergie efficaces et abordables est une piste pour garantir une fourniture d’énergie stable et fiable. Plus encore, l’adaptation des réseaux électriques et des modèles de gestion de l’énergie pour accommoder une part croissante de sources renouvelables représente un enjeu majeur pour l’avenir.