Constituant essentiel des panneaux solaires, une cellule photovoltaïque, souvent appelée cellule solaire, est un dispositif qui convertit directement la lumière du soleil en électricité grâce à l'effet photovoltaïque.
Qu’est-ce qu’une cellule photovoltaïque ?
Les cellules photovoltaïques sont les principaux éléments des modules photovoltaïques. La technologie dominante de cellule est basée sur l’exploitation du silicium. Après extraction, celui-ci est fondu pour être transformé en lingots qui sont tranchés pour former des wafers : des plaques très fines et carrées de silicium. Le wafer est ensuite traité chimiquement et on lui ajoute des éléments métalliques. Ces étapes transforment le wafer en cellule photovoltaïque, qui est capable de convertir en électricité les rayons du soleil. Ces cellules ont une forme carrée. Elles sont assemblées pour former les modules photovoltaïques. Dans le processus industriel de fabrication des modules, l’étape de fabrication des cellules est celle avec le plus de valeur ajoutée.
Comment fonctionne-t-elle ?
Le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque s’appuie sur l’effet photovoltaïque. Lorsque la lumière solaire frappe la cellule, elle est absorbée par le matériau semi-conducteur. Cette énergie lumineuse excite les électrons, les libérant de leurs atomes et créant ainsi un flux d’électrons. Ce flux est ce que nous appelons le courant électrique. Pour capter ce courant, des contacts électriques sont placés sur la partie supérieure et inférieure de la cellule.
Les différents types de cellules photovoltaïques et leurs applications
Il existe plusieurs types de cellules photovoltaïques, principalement classées en fonction du matériau semi-conducteur utilisé. Le rendement d’une cellule est la capacité de celle-ci à convertir la lumière perçue en électricité. La majorité des cellules du marché sont produites à partir de silicium.
Cellules en silicium monocristallin
Les cellules photovoltaïques en silicium monocristallin offrent un rendement généralement compris entre 18 % et 22 %. Elles sont fabriquées à partir d’un cristal de silicium unique ce qui augmente leur efficacité par rapport aux cellules en silicium polycristallin, surtout sous un faible ensoleillement. Le rendement des panneaux est légèrement inférieur à celui des cellules du fait de l'assemblage et l'encapsulation, aboutissant à un rendement de l'ordre de 16 à 17 %.
Cellules en silicium polycristallin
Moins chères à produire que les monocristallines, les cellules en silicium polycristallin ont un rendement légèrement inférieur, généralement compris entre 15 % et 17 %. Elles sont efficaces même sous un faible ensoleillement. Leur production implique la fusion de fragments de silicium, ce qui donne aux panneaux une teinte bleutée. Elles ont des applications et une durée de vie similaires que les cellules en monocristallin. Le choix entre monocristallin et polycristallin dépend souvent des priorités spécifiques du projet, qu'il s'agisse de maximiser le rendement énergétique ou de minimiser les coûts initiaux.
Technologies à couches minces
Voici un aperçu des cinq principales technologies à couches minces :
Cellule photovoltaïque au silicium amorphe
Les cellules au silicium amorphe se distinguent par leur capacité à être produites à moindre coût et leur flexibilité qui les rend adaptées à une intégration dans des matériaux souples. Elles sont efficaces dans des conditions de faible luminosité et sont principalement utilisées pour des appareils portables comme les calculatrices et les montres. Toutefois, leur rendement est plus bas, environ 7 %, comparé à celui des cellules en silicium cristallin.
Cellule photovoltaïque CIGS
La cellule CIGS (cuivre, indium, gallium, sélénium) offre une meilleure performance par rapport aux autres technologies à couches minces, avec un rendement entre 10 et 20 %. Les panneaux issus de ces cellules sont flexibles et résistants à des températures élevées.
Cellule en couche mince de tellurure de cadmium
La cellule en tellurure de cadmium (CdTe) est la plus économique des technologies à couches minces et l’une des plus utilisées dans les grandes installations solaires au sol. Elle offre un rendement entre 10 % et 12 % et se caractérise par sa fabrication simplifiée et son coût réduit. Elle porte des préoccupations environnementales liées à l’utilisation du cadmium, un matériau toxique.
Cellule photovoltaïque tandem
Les cellules photovoltaïques tandem combinent deux types de technologies pour capturer une plus large gamme de longueurs d’onde de la lumière solaire, ce qui augmente leur rendement potentiel. Cette combinaison permet d’atteindre des rendements supérieurs à 20 %, optimisant ainsi l’utilisation de l’espace sur les toits.
Cellule photovoltaïque multi-jonction
Les cellules photovoltaïques multi-jonction sont conçues pour atteindre les rendements les plus élevés possibles, souvent employées dans des applications spatiales et de concentration solaire. Ces cellules utilisent plusieurs couches de matériaux semi-conducteurs pour capturer différentes parties du spectre solaire, permettant des rendements de plus de 40 %. Cependant, leur coût de fabrication est très important, ce qui limite leur utilisation aux applications où la performance prime sur le coût, comme dans l’aérospatial.
Les avancées et les perspectives futures pour les cellules photovoltaïques
L’avenir des cellules photovoltaïques est prometteur, avec des avancées continues en recherche et développement. Les cellules à pérovskite, par exemple, montrent un fort potentiel. Leurs taux d’efficacité se rapprochent de ceux des cellules en silicium, avec des rendements actuellement compris entre 15 % et 25 %, mais à un coût potentiellement inférieur. Ces rendements sont en constante amélioration grâce aux avancées en recherche et développement.
De plus, les recherches constantes sur les matériaux organiques et les procédés de fabrication innovants promettent d’améliorer encore les performances et la viabilité économique des cellules à couches minces. Par exemple, le développement de cellules photovoltaïques organiques et des cellules photovoltaïques polymères, bien que moins abouties, affiche un potentiel pour réduire les coûts de production tout en offrant une flexibilité accrue et une intégration esthétique dans les environnements urbains.