Cellule photovoltaïque

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière, génère de l'électricité. C'est l'effet photovoltaïque qui est à l'origine du phénomène.



Catégories :

Composant électronique - Énergie solaire

Définitions :

  • dispositif servant à convertir directement le rayonnement solaire en énergie électrique. Les cellules sont ordonnées en modules qui composent les panneaux solaires. (source : monde-diplomatique)
  • Composant électronique semi-conducteur servant à générer un courant électrique lors de son exposition à la lumière. (source : lesolairepourtous)
  • La cellule photovoltaïque est l'élément qui sert à convertir l'énergie du soleil en une énergie électrique. (source : energiepropre)
cellule photovoltaïque 4 pouces.


Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère de l'électricité. C'est l'effet photovoltaïque qui est à l'origine du phénomène. Le courant obtenu dépend de la lumière incidente. L'électricité produite dépend de l'éclairement, la cellule photovoltaïque produit un courant continu.

Les cellules photovoltaïques les plus communes sont constituées de semi-conducteurs, essentiellement à base de silicium (Si) et plus rarement d'autre semi-conducteurs : sélénure de cuivre et d'indium (CuIn (Se) 2 ou CuInGa (Se) 2), tellurure de cadmium (CdTe), etc. Elles se présentent le plus souvent sous la forme de fines plaques d'une dizaine de centimètres de côté, prises en sandwich entre deux contacts métalliques, pour une épaisseur de l'ordre du millimètre.

Les cellules sont fréquemment réunies dans des modules solaires photovoltaïques ou panneaux solaires, selon la puissance recherchée.

Histoire

Le principe de l'effet photoélectrique (transformation directe d'énergie portée par la lumière en électricité) a été appliqué dès 1839 par Antoine Becquerel qui a noté qu'une chaîne d'éléments conducteurs d'électricité donnait naissance à un courant électrique spontané lorsqu'elle était éclairée. Plus tard, le sélénium puis le silicium (qui a finalement pour des raisons de coût supplanté le cadmium-tellure ou le cadmium-indium-sélénium aussi testés) se sont montrés aptes à la production de premières cellules photovoltaïques (posemètres pour la photographie dès 1914, puis 40 ans plus tard (en 1954) pour une production électrique [1]. La recherche porte aussi désormais sur des polymères et matériaux organiques susceptibles (peut-être souples) qui pourraient remplacer le silicium.

Principe de fonctionnement

Articles connexes : photodiode et effet photovoltaïque.

Dans un semi-conducteur exposé à la lumière, un photon d'énergie suffisante arrache un électron, créant au passage un "trou". Théoriquement, l'électron trouve rapidement un trou pour se replacer, et l'énergie apportée par le photon est ainsi dissipée. Le principe d'une cellule photovoltaïque est de forcer les électrons et les trous à se diriger chacun vers une face opposée du matériau au lieu de se recombiner simplement en son sein : ainsi, il apparaîtra une différence de potentiel et par conséquent une tension entre les deux faces, comme une pile.

Pour cela, on s'arrange pour créer un champ électrique permanent au moyen d'une jonction PN, entre deux couches dopées respectivement P et N :

Structure d'une cellule photovoltaïque

Au moment de la création de la jonction P-N, les électrons libres de la région N rentrent dans la couche P et vont se recombiner avec les trous de la région P. Il existera ainsi, pendant toute la vie de la jonction, une charge positive de la région N au bord de la jonction (parce que les électrons en sont partis) et une charge négative dans la région P au bord de la jonction (parce que les trous en ont disparu)  ; la totalité forme la Zone de Charge d'Espace (ZCE) et il existe un champ électrique entre les deux, de N vers P. Ce champ électrique fait de la ZCE une diode, qui ne permet le passage du courant que dans un sens : les électrons peuvent passer de la région P vers la région N, mais pas en sens inverse ; inversement les trous ne passent que de N vers P.

En fonctionnement, lorsque un photon arrache un électron à la matrice, créant un électron libre et un trou, sous l'effet de ce champ électrique ils partent chacun à l'opposé : les électrons s'accumulent dans la région N (qui devient le pôle négatif), alors que les trous s'accumulent dans la couche dopée P (qui devient le pôle positif). Ce phénomène est plus efficace dans la ZCE, où il n'y a quasiment plus de porteurs de charges (électrons ou trous) dans la mesure où ils se sont annihilés, ou à la proximité immédiate de la ZCE : quand un photon y crée une paire électron-trou, ils se séparent et ont peu de chance de rencontrer leur opposé, tandis que si la création a lieu plus loin de la jonction, l'électron (resp. le trou) nouveau conserve une grande chance de se recombiner avant d'atteindre la zone N (resp. la zone P). Mais la ZCE est nécessairement particulièrement mince, aussi n'est-il pas utile de donner une grande épaisseur à la cellule[4].

En somme, une cellule photovoltaïque est l'équivalent d'un générateur de courant auquel on a adjoint une diode.

Il faut ajouter des contacts électriques (qui laissent passer la lumière en face éclairée : en pratique, on utilise un contact par une grille), une couche antireflet pour assurer une bonne absorption des photons, etc.

Pour que la cellule fonctionne, et produise le maximum de courant, on ajuste le gap du semi-conducteur au niveau d'énergie des photons. On peut peut-être empiler les jonctions, de manière à exploiter au mieux le spectre d'énergie des photons, ce qui donne les cellules multi-jonctions.

Technique de fabrication

Le silicium est aujourd'hui le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques. On l'obtient par réduction à partir de silice, composé le plus abondant dans la croûte terrestre et surtout dans le sable ou le quartz. La première étape est la production de silicium dit métallurgique, pur à 98% uniquement, obtenu à partir de morceaux de quartz provenant de galets ou d'un gisement filonien (la technique de production industrielle ne permet pas de partir du sable). Le silicium de qualité photovoltaïque doit être purifié jusqu'à plus de 99, 999%, ce qui s'obtient en transformant le silicium en un composé chimique qui sera distillé puis retransformé en silicium.

Le silicium est produit sous forme de barres appelées «lingots» de section ronde ou carrée. Ces lingots sont ensuite sciés en fines plaques mises au carré (si indispensable) de 200 micromètres d'épaisseur qui sont nommées «wafers». Après un traitement pour enrichir en éléments dopants (P, As, Sb ou B) et ainsi obtenir du silicium semi-conducteur de type P ou N, les wafers sont «métallisés» : des rubans de métal sont incrustés en surface et reliés à des contacts électriques. Une fois métallisés les wafers sont devenus des cellules photovoltaïques.

La production des cellules photovoltaïques nécessite de l'énergie, et on estime qu'un module photovoltaïque doit fonctionner à peu près deux à trois ans[5] suivant sa technique de fabrication pour produire l'énergie qui a été indispensable à sa fabrication (retour énergétique du module).

Les techniques de fabrication et les caractéristiques des principaux types de cellules sont décrits dans les trois paragraphes suivants. Il existe d'autres types de cellules aujourd'hui à l'étude, mais leur utilisation est quasiment négligeable.

Les matériaux et procédés de fabrication font l'objet de programmes de recherches ambitieux pour diminuer les coûts de possession et de recyclage des cellules photovoltaïques. Les techniques couches minces sur substrats banalisés semblent recueillir les suffrages de l'industrie naissante. En 2006 et 2007, la croissance de la production mondiale de panneaux solaires a été freinée par manque de silicium, et les prix des cellules n'ont pas baissé tout autant qu'espéré. L'industrie cherche à faire baisser la quantité de silicium utilisé. Les cellules monocristallines sont passées de 300 microns d'épaisseur à 200 et on pense désormais atteindre rapidement les 180 puis 150 microns, diminuant la quantité de silicium et d'énergie indispensable, mais également les prix.

Cellule en silicium amorphe

Le silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projeté sur une feuille de verre. La cellule est gris particulièrement foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires".

Cellule en silicium monocristallin

Solar cell.png

Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont généralement d'un bleu uniforme.

Cellule en silicium multicristallin

Une cellule photovoltaïque à base de silicium multicristallin

Au cours du refroidissement du silicium dans une lingotière, il se forme plusieurs cristaux. La cellule photovoltaïque est d'aspect bleuté, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux.


Polycristallin ou multicristallin ? On parlera ici de silicium multicristallin (réf. IEC TS 61836, vocabulaire international photovoltaïque). Le terme polycristallin est utilisé pour les couches déposées sur un substrat (petits grains).

Cellule Tandem

Empilement monolithique de deux cellules simples. En combinant deux cellules (couche mince de silicium amorphe sur silicium cristallin par exemple) absorbant dans des domaines spectraux se chevauchant, on perfectionne le rendement théorique comparé à des cellules simples différentes, qu'elles soient amorphes, cristallines ou microcristallines.

Cellule photovoltaïque organique

Articles détaillés : Cellule photovoltaïque organique et Cellule photovoltaïque en polymères.

Cellule multi-jonction

Des cellules ayant une grande efficacité ont été développées pour des applications spatiales. Les cellules multi-jonctions sont constituées de plusieurs couches minces qui utilisent l'épitaxie par jet moléculaire.

Une cellule triple jonction, par exemple, est constituée des semi-conducteurs GaAs, Ge et GaInP2. Chaque type de semi-conducteur est caractérisé par une longueur d'onde maximale au-delà de laquelle il est incapable de convertir le photon en énergie électrique (cf. bande interdite). D'un autre côté, en deçà de cette longueur d'onde, le surplus d'énergie véhiculé par le photon est perdu. D'où l'interêt de choisir des matériaux avec des longueurs aussi proches les unes des autres que envisageable (en multipliant leur nombre d'autant) de façon à ce qu'une majorité du spectre solaire soit absorbé, ce qui génère un maximum d'électricité à partir du flux solaire. Le coût de ces cellules est de l'ordre de USD 40 /cm2.

Semi conducteur cis

La technique consiste à déposer un matériau semi-conducteur à base de cuivre, de gallium, d'indium et sélénium sur un support.

Une inquiétude toutefois : les ressources en matières premières. Ces nouvelles techniques utilisent des métaux rares comme l'indium dont la production mondiale est de 25 tonnes par an et le prix d'avril 2007 de 1000 dollars le kg ; le tellure dont la production mondiale est de 250 tonnes par an ; le gallium d'une production de 55 tonnes par an ; le germanium d'une production de 90 tonnes l'an. Quoique les quantités de ces matières premières nécessaires à la fabrication des cellules solaires soient illimitétésimales, un développement massif mondial des panneaux solaires photovoltaïques en couches minces sans silicium ne manquerait pas de se heurter à cette disponibilité physique limitée.

Utilisation

Article détaillé : Module solaire photovoltaïque.

Les cellules photovoltaïques sont quelquefois utilisées seules (éclairage de jardin, calculatrice, ... ) ou bien regroupées sur des panneaux solaires photovoltaïques.

Elles sont particulièrement utilisées à la place des piles (dont l'énergie est de loin la plus chère pour l'utilisateur ; même pour le fabricant, un compartiment pile et la pile peut-être apportée peuvent coûter plus cher qu'une cellule), pourvu que le système ne réclame pas trop d'énergie comparé à la surface qu'on peut accorder au générateur photovoltaïque, et qu'il y ait assez de lumière pendant l'usage : les cellules ont envahi calculette, montres, gadgets, etc.

Il est envisageable d'augmenter leur gamme d'utilisation avec un stockage (condensateur ou batterie). Quand elles sont utilisées avec un système de stockage de l'énergie, il est indispensable de placer une diode en série pour éviter la décharge du dispositif au cours de la nuit.

Elles sont utilisées pour produire de l'électricité pour de nombreuses applications (satellites, parcmètres, ... ), mais aussi pour alimenter des habitations ou un réseau public de distribution dans le cas d'une centrale solaire photovoltaïque.

Prospective, recherche et développement

La technique n'a pas atteint la maturité et de nombreuses pistes de recherches sont explorées ; il s'agit en premier lieu de faire baisser le prix de revient de l'électricité produite, mais également d'obtenir des progrès en matière de rusticité, de souplesse d'usage, de facilité d'intégration dans des objets, de durée de vie, etc. Des accroissements du rendement de leurs cellules sont périodiquement annoncés par l'ensemble des sociétés de fabrication, par exemple :

Feuille de route du photovoltaïque

Voici quelques objectifs que l'industrie japonaise s'est donnés :

Thème Cible 2010 Cible 2020 Cible 2030
Coût de production 100 yen/watt 75 yen/watt <50 yen/watt
Durée de vie - +30 ans -
Consommation de matière première - - 1 g/watt
Coût du convertisseur - - 15 000 yen/kW
Coût de la batterie - 10 yen/Wh -
Efficacité cellule cristalline 20 % 25 % 25 %
Efficacité cellule couche mince 15 % 18 % 20 %
Efficacité cellule CIS 19 % 25 % 25 %
Efficacité cellule III-V 40 % 45 % 50 %
Efficacité cellule "Dye Sensitized" 10 % 15 % 18 %

Source Nedo (Japon) , 134.62 yen = 1 €, août 2009

Notes et références

  1. Christian NGÔ,  ; «L'Énergie, ressources, technologies et environnement», Dunod CEA, 2002
  2. une petite proportion des atomes de silicium est remplacée par un élément de valence supérieure dans la classification périodique, c'est-à-dire qui possède plus d'électrons sur sa couche de valence que le silicium. Le silicium possède quatre électrons sur sa couche de valence : on peut par conséquent utiliser des éléments de la colonne 15, par exemple le Phosphore.
  3. par un élément de valence inférieure au silicium. Il peut s'agir de Bore (B) ou d'un autre élément de la colonne 13.
  4. On peut, par contre, lui donner une forme ondulée, comme sur l'exemple : le volume actif est augmenté
  5. IEA - Compared assessment of selected environmental indicators of photovoltaic electricity in ŒCD cities[pdf]
  6. [1]
  7. [pdf] Rendement suivant les matériaux selon ADEME
  8. Source : Nikkei Net (2007 12 06) (en) , Bulletin de l'ambassade de France
  9. Institut associant EDF, CNRS et Ecole nationale supérieure de chimie de Paris (ENSCP)
  10. (fr) Famille CIS - Couche mince (En production)
  11. BE Japon numéro 522 intitulé «Showa Shell construit une centrale solaire photovoltaïque CIS» (4/12/2009) - Ambassade de France au Japon / ADIT
  12. 45% de rendement en 2010
  13. 48% de rendement (industrialisation en cours)
  14. 60% de rendement
  15. Cellule photovoltaïque quantique de 65% de rendement
  16. Cellule photovoltaïque - rendement théorique de 87%
  17. Le photovoltaïque à l'université de Neuchâtel
  18. Green Car Congress : UD-Led Team Sets Solar Cell Efficiency Record of 42.8%; Joins DuPont on 100M Project
  19. Nikkei Net - 04/02/2008
  20. (fr) L'énergie de demain sera-t-elle tirée de l'infrarouge ? sur futurascience.
  21. Faisabilité et évaluation de dispositifs de couches minces transparents et conducteurs d'électricité avec des couches de semi-conducteurs oxydantes (Machbarkeit und Evaluierung transparenter und elektrisch leitfähiger Dünnfilmsysteme mit oxidischen Halbleiterschichten)
  22. Source BE Allemagne numéro 441 ; Ambassade de France en Allemagne ; ADIT (17/06/2009), citant un - 06/2009 Communiqué de presse Fraunhofer (en)

Voir aussi

Liens externes

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