La technologie solaire est en constante évolution et ne cesse de gagner en popularité, notamment grâce à l’utilisation des panneaux photovoltaïques. Mais comment fonctionnent ces fameux panneaux qui transforment la lumière du soleil en électricité ? Tout repose sur un élément essentiel : la cellule photovoltaïque. Regardons en détail son fonctionnement ainsi que ses différentes caractéristiques.
Sommaire
Qu’est-ce qu’une cellule photovoltaïque ?
La cellule photovoltaïque a pour fonction de capter le rayonnement lumineux du soleil afin de le convertir en électricité. En fonction des besoins, la cellule solaire peut fonctionner seule, par exemple pour alimenter une calculatrice solaire. Afin de répondre à des besoins plus conséquents, elle est assemblée en modules solaires photovoltaïques, couramment appelés des panneaux solaires.
Les cellules photovoltaïques sont des éléments essentiels qui composent les panneaux solaires. Elles sont des composants électroniques ultra-minces, mesurant environ 200 μm. Chaque panneau solaire est équipé de 60 à 72 cellules photovoltaïques. Grâce à leur efficacité et leur durabilité, ces cellules jouent un rôle clé dans la production d’énergie solaire renouvelable.
Comment fonctionne une cellule photovoltaïque ?
Une cellule photovoltaïque utilise l’énergie du rayonnement solaire. Pour produire de l’électricité, elle utilise l’effet photovoltaïque, qui est obtenu lorsque les photons de la lumière solaire heurtent un matériau semi-conducteur. Ce matériau transfère ensuite l’énergie des photons aux électrons, créant ainsi une tension électrique.
Qu’est-ce que l’effet photovoltaïque ?
Pour comprendre le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque, il faut connaître l’effet photovoltaïque, qui est la capacité de certains matériaux à convertir la lumière en électricité.
Tous les semi-conducteurs présentent cet effet avec une efficacité variable. Lorsqu’un photon (particule de lumière) pénètre dans un matériau, il crée des paires électrons-trous qui génèrent une charge négative (électrons) et une charge positive (trous).
Les électrons séparés peuvent ensuite être collectés pour créer un courant, comme dans une pile. Les modules photovoltaïques utilisent cet effet et sont reliés à des onduleurs pour convertir le courant continu en courant alternatif.
Comment fonctionne une cellule photovoltaïque ?
Pour comprendre le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque, il est nécessaire de revenir sur quelques notions de physique. La cellule est principalement constituée de silicium, un matériau composé d’atomes. Ces atomes, à leur tour, se composent d’un noyau et d’électrons qui orbitent autour de celui-ci.
Lorsque les électrons du silicium entrent en contact avec des photons, ils se mettent en mouvement. Afin de générer un courant électrique, il est essentiel d’avoir un pôle positif et un pôle négatif, tout comme dans les piles électriques. Pour cela, le silicium est associé au bore pour obtenir le pôle positif, tandis que le phosphore est utilisé pour le pôle négatif.
Grâce à ce système de pôles positif et négatif, les électrons se déplacent naturellement entre les deux pour rééquilibrer les charges, créant ainsi un courant électrique.
Pour produire de l’électricité, le panneau solaire additionne les courants électriques générés par les cellules photovoltaïques. Selon le matériau utilisé, la puissance peut varier. Le rendement du matériau semi-conducteur est important et peut différer d’un matériau à un autre.
Quels matériaux composent une cellule photovoltaïque ?
Les matériaux semi-conducteurs sont utilisés pour fabriquer les cellules photovoltaïques, et permettent aux électrons de générer du courant. Le matériau le plus couramment utilisé pour produire des cellules photovoltaïques est le silicium. Ce dernier présente de nombreux atouts car il est abondant et facile à extraire. De plus, il est facilement recyclable.
Dans certains cas rares, d’autres matériaux à base de cuivre, d’indium, de gallium et de sélénium peuvent être utilisés pour la fabrication des cellules photovoltaïques, mais aussi le tellurure de cadmium (CdTe), la pérovskite ou des matériaux organiques à base de carbone. Bien que ces matériaux soient actuellement relativement peu utilisés, de nombreuses recherches scientifiques se penchent sur leur utilisation.
Les différents types de cellules photovoltaïques
Il existe plusieurs types de cellules photovoltaïques, chacune ayant leurs propres caractéristiques.
Cellule au silicium monocristallin
Les cellules monocristallines sont reconnaissables grâce à leur couleur très foncée. Elles se composent d’un seul cristal de silicium, avec tous les cristaux orientés dans la même direction au sein d’un module solaire. Bien que leur rendement soit supérieur à celui du silicium polycristallin, ces cellules sont également plus coûteuses en raison de leur fabrication plus complexe.
Cellule au silicium polycristallin
Les cellules multicristallines sont reconnaissables grâce à leur couleur bleutée. Composées de cristaux orientés dans différentes directions, elles présentent une couleur non homogène. C’est la cellule la plus utilisée dans le monde en raison de son excellent rapport qualité-prix. Le principal inconvénient de ces cellules est leur rendement inférieur à celui des cellules au silicium monocristallin.
Cellule au silicium amorphe
Les cellules au silicium amorphe sont généralement de couleur marron ou gris foncé. Elles sont beaucoup plus fines que les cellules en silicium cristallin. Cette technologie est utilisée depuis longtemps dans les petits appareils électroniques, mais leur rendement reste faible. Leur durée de vie est également plus courte : seulement une dizaine d’années, contre une quarantaine pour le silicium monocristallin et polycristallin.
Cellule solaire tandem
Une cellule tandem est une cellule solaire qui combine deux matériaux semi-conducteurs différents : le silicium et la pérovskite. Cette association permet de capitaliser sur les avantages de chaque matériau. D’un côté, le silicium offre une durabilité exceptionnelle tandis que la pérovskite assure un rendement élevé. Grâce à cette combinaison, les cellules tandem offrent un potentiel prometteur pour l’avenir de l’énergie solaire.
Cellule CIGS
Le sigle CIGS (cuivre, indium, gallium et sélénium) désigne une technique d’élaboration des cellules photovoltaïques en couches minces et de haute performance. Cette technique repose sur l’utilisation d’un matériau semi-conducteur spécifique, un alliage précisément dosé, permettant de réaliser ces cellules solaires. Ces cellules présentent une grande efficacité énergétique et une résistance accrue aux variations de température.
Cellule multi-jonction
Les cellules multi-jonctions convertissent efficacement la lumière du soleil en électricité. Pour cela, elles utilisent plusieurs couches de matériaux optimisées pour absorber différentes parties du spectre solaire. Un avantage majeur de ces cellules est leur rendement élevé pouvant atteindre 40 %, idéal pour les applications où l’espace est limité, comme les panneaux solaires satellites.
Cellule au tellurure de cadmium
Les cellules au tellurure de cadmium (CdTe) offrent les avantages de la technologie des couches minces : légères, robustes et potentiellement flexibles. Ce type de cellule photovoltaïque est également composé d’un matériau autre que le silicium. Dans ce cas, le tellurure de cadmium est utilisé en une seule couche scellée entre deux plaques de verre.
Cellule organique
Les cellules organiques sont un type de technologie émergente dans le domaine des cellules solaires. Elles sont fabriquées à partir de matériaux organiques, généralement du carbone sous forme de polymères ou de molécules organiques. Bien que leur rendement soit actuellement inférieur à celui des autres types de cellules, les recherches sur ces technologies sont en constante évolution et promettent un avenir prometteur pour l’énergie solaire.
Cellule au pérovskite
La pérovskite est un type de cristal présentant une structure cubique complexe, utilisé comme matériau pour les cellules photovoltaïques. Elle peut être fabriquée à partir de matériaux peu coûteux et abondants, ce qui en fait une alternative intéressante aux autres types de cellules. De nombreuses recherches sont actuellement en cours pour rendre cette technologie plus performante.
En somme, les cellules photovoltaïques sont composées de matériaux semi-conducteurs qui permettent la conversion de l’énergie solaire en électricité. Le silicium est le matériau le plus couramment utilisé pour sa disponibilité et son efficacité, mais d’autres matériaux annoncent un avenir prometteur pour l’énergie solaire.
Les différentes technologies de cellules photovoltaïques offrent des avantages spécifiques, mais toutes ont pour but commun de contribuer à une source d’énergie renouvelable et durable. Les recherches continuent dans ce domaine pour améliorer encore plus la performance et le coût de ces technologies, ce qui renforce l’espoir d’une transition vers une société plus écologique et énergétiquement indépendante.