Cellules Solaires Proche
Auteur : Thomas PEDOT
Publiée : 29 juin 2023
Mise à jour : 28 sept. 2023

Comment fonctionnent les cellules photovoltaïques ?

Un panneau solaire fonctionnent grâce à des cellules photovoltaïque. Pour comprendre le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque, il est nécessaire de connaître l’effet du même nom qui en est à l’origine. L’effet photovoltaïque est une propriété de certains matériaux à convertir la lumière en électricité. Il s’agit d’un phénomène physique durant lequel un matériau émet des électrons sous l’effet de la lumière. Tous les semi-conducteurs présentent cet effet, avec plus ou moins d’efficacité. Chaque photon (particule de lumière) pénétrant le matériau perd son énergie en créant des paires électrons-trous. Chaque paire induit une charge négative (les électrons) et une charge positive (les trous). Ainsi séparés, les électrons peuvent être collectés pour créer un courant, comme dans une pile. L’effet photovoltaïque est mis en œuvre dans des cellules dont l’assemblage forme les modules photovoltaïques. Ces derniers sont reliés à des onduleurs (des stabilisateurs électriques), pour convertir le courant électrique continu en courant alternatif.

Qu’est-ce qu’une Cellule Photovoltaïque ?

Les cellules photovoltaïques, également appelées cellules solaires, sont des dispositifs électroniques qui utilisent le pouvoir du soleil pour générer de l'électricité propre et renouvelable. Comprendre leur fonctionnement est essentiel pour saisir leur rôle crucial dans la transition énergétique. Dans cet article, nous explorerons les composants clés d'une cellule photovoltaïque et expliquerons comment ils travaillent en synergie pour convertir la lumière du soleil en une source d'énergie durable.

 Structure d'une cellule photovoltaïque (source :
Structure d'une cellule photovoltaïque (source :

Matériau semi-conducteur

Le cœur d'une cellule photovoltaïque réside dans son matériau semi-conducteur. Habituellement composée de silicium, cette couche active absorbe la lumière solaire. Lorsque les photons de la lumière interagissent avec le matériau, des paires d'électrons et de trous se forment. Les électrons libres se dirigent vers la zone négativement dopée (zone n), tandis que les trous se déplacent vers la zone positivement dopée (zone p). Cette séparation des charges crée un champ électrique à la jonction p-n.

Jonction p-n

La jonction p-n est une barrière de potentiel créée par la combinaison de la zone p et de la zone n du matériau semi-conducteur. Lorsque la lumière solaire atteint cette jonction, elle fournit l'énergie nécessaire aux électrons pour surmonter la barrière de potentiel. Les électrons excités franchissent la jonction, tandis que les trous restent dans la zone p. Ce déplacement crée un courant électrique, prêt à être exploité.

Contacts métalliques

Pour collecter les charges électriques générées, des contacts métalliques sont stratégiquement placés sur la cellule photovoltaïque. Un contact métallique de type p est connecté à la zone p, et un contact de type n est relié à la zone n. Ces contacts permettent de collecter respectivement les trous et les électrons libres générés par la lumière. Ils conduisent ensuite ces charges électriques hors de la cellule pour être utilisées comme courant électrique utile.

Couche antireflet

Une couche antireflet est souvent appliquée à la surface de la cellule photovoltaïque pour améliorer l'absorption de la lumière. En réduisant les pertes dues à la réflexion de la lumière incidente, cette couche permet à un maximum de photons de pénétrer dans la cellule. Cela augmente l'efficacité de conversion de la cellule et maximise sa capacité à générer de l'électricité propre.

Encapsulation

L'encapsulation joue un rôle essentiel dans la protection et la durabilité des cellules photovoltaïques. Une fois les composants internes assemblés, les cellules sont encapsulées pour les préserver des dommages physiques et environnementaux. Une couche transparente en verre ou en plastique est souvent utilisée pour sceller la cellule, permettant à la lumière de pénétrer tout en offrant une protection contre l'humidité, la poussière et les intempéries. L'encapsulation contribue également à maintenir l'intégrité structurelle de la cellule, garantissant ainsi son bon fonctionnement et sa longévité.

Borne de sortie

La borne de sortie est l'endroit où le courant électrique généré par la cellule photovoltaïque est collecté et extrait. Une fois que les électrons et les trous ont été collectés par les contacts métalliques, ils sont acheminés vers la borne de sortie. Cette dernière peut prendre différentes formes, telles qu'un connecteur, une prise ou un câble, facilitant ainsi la connexion de la cellule photovoltaïque à d'autres composants ou à un système électrique plus vaste. La tension et le courant au niveau de la borne de sortie dépendent de la conception et de la configuration de la cellule photovoltaïque, et ils peuvent être adaptés pour répondre aux besoins spécifiques de chaque application.

Première génération de cellule photovoltaïque

  • Les cellules de première génération sont principalement basées sur le silicium cristallin, un matériau semi-conducteur largement utilisé.
  • Elles sont généralement fabriquées à partir de plaquettes de silicium monocristallin ou polycristallin.
  • Les cellules de première génération sont les plus répandues sur le marché et ont une bonne efficacité, mais elles peuvent être relativement coûteuses à produire en raison des processus de fabrication complexes et des coûts élevés du silicium.

Deuxième génération de cellule photovoltaïque

  • Les cellules de deuxième génération utilisent des matériaux semi-conducteurs différents du silicium cristallin, tels que les couches minces de silicium amorphe, le tellurure de cadmium (CdTe) ou le sulfure de cuivre indium gallium (CIGS).
  • Ces cellules sont généralement fabriquées en déposant une fine couche de matériau semi-conducteur sur un substrat, ce qui permet d'économiser les coûts de matériaux par rapport aux cellules de première génération.
  • Les cellules de deuxième génération offrent des avantages potentiels en termes de flexibilité, de légèreté et de coût de production, mais elles ont généralement une efficacité légèrement inférieure par rapport aux cellules de première génération.

Troisième génération de cellule photovoltaïque

  • Les cellules de troisième génération regroupent un large éventail de technologies en cours de développement, qui visent à améliorer l'efficacité et la flexibilité des cellules photovoltaïques.
  • Elles comprennent des technologies émergentes telles que les cellules solaires à colorant (DSC), les cellules solaires organiques (OPV) et les cellules solaires à points quantiques.
  • Ces nouvelles technologies offrent des perspectives intéressantes en termes d'efficacité, de coût, de flexibilité et de possibilités d'intégration dans différents types de surfaces et de dispositifs électroniques.

Rendement des cellules photovoltaïques

Le rendement d’une cellule est le ratio entre l’énergie lumineuse reçue à la surface de la cellule et l’énergie électrique produite par cette même cellule.

La performance d'une cellule photovoltaïque pourrait atteindre près de 85% si chaque photon était en mesure de transférer son énergie intégralement à un électron. Imaginez l'efficacité incroyable que cela représenterait dans la production d'énergie solaire. Il est important de noter que le transfert d'énergie ne peut se produire que si la bande d'énergie spécifique à chaque semi-conducteur est prise en compte. Par conséquent, les photons dont l'énergie est inférieure à cette valeur seuil ne pourront pas contribuer à l'effet photovoltaïque. Leur énergie sera convertie en chaleur.Les photons possédant une énergie supérieure à cette valeur ne pourront transmettre que l'énergie spécifique au semi-conducteur. Cela signifie que seules les particules lumineuses avec une énergie appropriée peuvent transférer leur énergie au matériau semi-conducteur. Tout l’excès est alors perdu. Dans les cellules actuelles, ces deux effets limitent efficacement le rendement théorique des cellules à seulement 50%. Cependant, de nouvelles recherches et avancées technologiques nous permettent d'anticiper de meilleures performances à l'avenir.

Voici un résumé de la revue Systèmes Solaires – hors-série spécial recherche solaire – Juillet 2006.

TypeRendement cellule (en labo)Module(en labo)Module (commercial)Niveau de développement
1ère génération
Silicium monocristallin24,70%22,70%12-20%Production industrielle
Silicium polycristallin20,30%16,20%11-15%Production industrielle
2e génération
Silicium amorphe13,40%10,40%5-9%Production industrielle
Silicium cristallin en couche mince9,40%7%Production industrielle
CIS19,30%13,50%9-11 %Production industrielle
CdTe16,70%6-9%Prêt pour la production
3e génération
Cellule organique5,70%Au stade de la recherche
Cellule de Grätzel11%8,40%Au stade de la recherche
Cellules multi-jonctions39%25-30%Au stade de la recherche, production exclusivement pour applications spatiales

Ce que nous avons vu

La conversion de la lumière solaire en électricité grâce aux cellules photovoltaïques repose sur un processus complexe qui implique plusieurs composants essentiels. Le matériau semi-conducteur, la jonction p-n, les contacts métalliques, la couche antireflet, l'encapsulation et la borne de sortie travaillent en harmonie pour permettre la conversion efficace de l'énergie solaire en électricité propre et renouvelable. Comprendre le fonctionnement de ces composants nous aide à apprécier l'importance des cellules photovoltaïques dans la transition vers un avenir énergétique plus durable et respectueux de l'environnement. Grâce à leur déploiement continu, nous pouvons poursuivre notre chemin vers une société plus verte et plus économe en carbone.

Les cellules photovoltaïques offrent une solution durable pour répondre à nos besoins énergétiques tout en réduisant notre empreinte carbone. En comprenant le fonctionnement de ces dispositifs, nous pouvons mieux apprécier leur importance dans la production d'énergie verte.

Grâce à des composants tels que le matériau semi-conducteur, la jonction p-n, les contacts métalliques et la couche antireflet, les cellules photovoltaïques captent la puissance du soleil et la transforment en une source d'électricité renouvelable. Adopter cette technologie nous rapproche d'un avenir plus propre et plus durable pour notre planète.

Articles Similaires