Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère une tension (La tension est une force d'extension.) électrique (volt) (cet effet est appelé l'effet photovoltaïque). Le courant obtenu est un courant continu (Le courant continu (CC), par opposition au courant alternatif, est un courant électrique unidirectionnel : le courant circule à chaque instant dans le même sens, le déplacement des électrons se fait toujours dans le même sens.) et la tension obtenue est de l'ordre de 0,5 V.

Les cellules photovoltaïques sont constituées de semi-conducteurs à base de silicium (Si), de sulfure de cadmium (CdS) ou de tellurure de cadmium (CdTe). Elles se présentent sous la forme de deux fines plaques en contact étroit. Un autre nom est " photo-galvanique ".

Ce semi-conducteur est pris en sandwich entre deux électrodes métalliques et le tout est protégé par une vitre.

Principe de fonctionnement

Il peut être illustré par l'exemple suivant, qui présente le cas d'une cellule au silicium :

• La couche supérieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément de valence supérieure dans la classification périodique, c’est-à-dire qui possède plus d'électrons sur sa couche de valence (  Ne pas confondre couche de valence et valence) que le silicium. Le silicium possède 4 électrons sur sa couche de valence : on peut donc utiliser des éléments de la colonne 15, par exemple le Phosphore (P). Cette couche possédera donc en moyenne (Il y a plusieurs façon de calculer une moyenne d'un ensemble de nombres. Celle qu'il convient de retenir dépend de la grandeur physique que représentent ces nombres. Lorsque, dans le langage courant, on parle de moyenne, on...) une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) d'électrons supérieure à une couche de silicium pur. Il s'agit d'un semi-conducteur de type N.

• La couche inférieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément de valence inférieure au silicium. Il peut s'agir de Bore (B) ou d'un autre élément de la colonne 13. Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d'électrons inférieure à une couche de silicium pur. Il s'agit d'un semi-conducteur de type P.

Lorsqu'on met ces deux semi-conducteurs en contact (de manière à ce qu'il puisse y avoir conduction), on crée une jonction PN, qui doit permettre le passage des électrons entre les deux plaques. Cependant, dans le cas d'une cellule photovoltaïque, le gap du semi-conducteur de type N est calculé de manière à ce que le courant ne puisse pas s'établir seul : il faut qu'il y ait un apport d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), sous forme d'un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...) de lumière (La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 0,38 à 0,78 micron (380 nm à 780...), pour qu'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) de la couche N soit arraché et vienne se placer dans la couche P, créant ainsi une modification de la répartition de la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) globale dans l'édifice.

Deux électrodes sont placées, l'une au niveau de la couche supérieure et l'autre au niveau de la couche inférieure : une différence de potentiel électrique (Le potentiel électrique est l'une des grandeurs définissant l'état électrique d'un point de l'espace. Son unité est le volt.) et un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique (électrons).) sont créés.

Technique de fabrication

Le silicium est actuellement le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques disponibles à un niveau industriel. Divers traitements du sable (Le sable, ou arène, est une roche sédimentaire meuble, constituée de petites particules provenant de la désagrégation d'autres roches dont la dimension est comprise entre...) permettent de purifier le silicium qui est alors chauffé et réduit dans un four (Un four est une enceinte fermée munie d'un système de chauffage puissant :). Le produit obtenu est un silicium dit métallurgique, pur à 98% seulement. Ce silicium est ensuite purifié chimiquement et aboutit au silicium de qualité électronique qui se présente sous forme liquide (La phase liquide est un état de la matière.). Par la suite, ce silicium pur va être enrichi en éléments dopant (P, As, Sb ou B) lors de l'étape de dopage, afin de pouvoir le transformer en semi-conducteur de type P ou N.

La production des cellules photovoltaïques nécessite de l'énergie, et on estime qu'une cellule photovoltaïque doit fonctionner environ 2 à 3 ans suivant sa technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) pour produire l'énergie qui a été nécessaire à sa fabrication (retour energétique du module)

Les techniques de fabrication et les caractéristiques des principaux types de cellule sont décrits dans les 3 paragraphes suivants. Il existe d'autres types de cellule actuellement à l'étude, mais leur utilisation est pratiquement négligeable actuellement.

Cellule en silicium amorphe

Le silicium n'est pas cristallisé, il est déposé sur une feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux supérieurs (spermaphytes, ptéridophytes et bryophytes). Elle est insérée sur...) de verre (Dans le langage courant, le mot verre sert à désigner un matériau dur, fragile (cassant) et transparent.). La cellule est gris très foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires".

• avantages :
  • fonctionnent avec un éclairement faible (même par temps (Le temps est un concept développé pour représenter la variation du monde : l'Univers n'est jamais figé, les éléments qui le composent bougent, se transforment et évoluent pour l'observateur qu'est l'homme. Si on considère...) couvert ou à l'intérieur d'un bâtiment),
  • moins chères que les autres.
  • moins sensible aux températures élevées que les cellules mono ou poly cristallines
• inconvénients :
  • rendement faible en plein soleil ((pourcentage en masse)), de 60Wc/m²^[1],
  • performances qui diminuent sensiblement avec le temps.

Cellule en silicium monocristallin

Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur...) qu'un seul cristal de grande dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son...). On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446...) uniforme.

• avantage :
  • très bon rendement, de 120Wc/m²^[1].
• inconvénients :
  • coût élevé,
  • rendement faible sous un faible éclairement.

Cellule en silicium polycristallin

Pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs cristaux. Ce genre de cellule est également bleu, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux.

• avantages :
  • bon rendement, de 100Wc/m²^[1], mais cependant moins bon que pour le monocristallin,
  • moins cher que le monocristallin.
• inconvénient :
  • rendement faible sous un faible eclairement.

Ce sont les cellules les plus utilisées pour la production électrique (meilleur rapport qualité-prix).

Cellule Tandem

Empilement monolithique (Un monolithe est un élément fait d'un seul bloc de pierre de grande dimension. Son nom vient du grec ancien λιθος -lire lithos-(la pierre).) de deux cellules simples. En combinant deux cellules (couche mince de silicium amorphe sur silicium cristallin) absorbant dans des domaines spectraux se chevauchant, on améliore le rendement théorique par rapport à des cellules simples distinctes, qu'elles soient amorphes, cristallines ou microcristallines.

• avantages :
  • sensibilité élevée sur une large plage (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de matériaux d'une taille allant des sables fins aux blocs ». La plage ne se limite donc pas aux étendues de sable fin ; on trouve également...) de longueur (La longueur d’un objet représente la distance entre deux de ses extrémités, les plus éloignées possibles. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est souvent celle de l’objet complètement développé.) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.). Bon rendement
• inconvénient :
  • coût élevé dû à la superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut possèder plusieurs valeurs pour une certaine quantité observable (spin, position, quantité de...) de deux cellules

Cellule en plastique

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 (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail est proportionnel à la quantité d'électricité.) (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 (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) avec des longueurs aussi proches les unes des autres que possible (en multipliant leur nombre (Un nombre est un concept caractérisant une unité, une collection d'unités ou une fraction d'unité.) d'autant) de manière à ce qu'une majorité du spectre solaire soit absorbé, ce qui génère un maximum d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la...) à partir du flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est...) solaire. L'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) de matériaux composés de boîtes quantiques permettra d'atteindre 65% dans le futur (avec un maximum théorique de 87%). Les dispositifs à multijonctions GaAs sont les cellules les plus efficaces. Spectrolab a obtenu 40.7% d'efficacité (déc. 2006). Le coût de ces cellules est de l'ordre de USD 40 $/cm²

Utilisation

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

Elles sont utilisés pour produire de l'électricité pour de nombreuses applications (satellites, parc-mètres, ...), ainsi que pour alimenter des habitations ou un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on...) public de distribution dans le cas d'une centrale solaire photovoltaïque.

Prix du kWh pour des panneaux en silicium fixes

Le tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) suivant montre les coûts du photovoltaïque en $-cent/kWh en fonction du coût de l'investissement et de la productivité solaire (ensoleillement plus rendement de la cellule photovoltaïque). Ils sont calculés sur un taux d'actualisation (L'actualisation est la méthode qui sert à ramener à une même base des flux financiers non directement comparables car se produisant à des dates différentes. Cela permet non seulement de les comparer mais...) de 4%, un coût de maintenance de 1% et une période d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) de 20 ans. Les modules photovoltaïques sont habituellement sous garantie pendant 25 ans, mais ils peuvent être encore parfaitement opérationnels après 30 ou 40 ans.

20 ans, 4%	2400 kWh/kWc/an	2200 kWh/kWc/an	2000 kWh/kWc/an	1800 kWh/kWc/an	1600 kWh/kWc/an	1400 kWh/kWc/an	1200 kWh/kWc/an	1000 kWh/kWc/an	800 kWh/kWc/an
200 $ / kWc	0,8	0,9	1,0	1,1	1,3	1,4	1,7	2,0	2,5
600 $ / kWc	2,5	2,7	3,0	3,3	3,8	4,3	5,0	6,0	7,5
1000 $ / kWc	4,2	4,5	5,0	5,6	6,3	7,1	8,3	10,0	12,5
1400 $ / kWc	5,8	6,4	7,0	7,8	8,8	10,0	11,7	14,0	17,5
1800 $ / kWc	7,5	8,2	9,0	10,0	11,3	12,9	15,0	18,0	22,5
2200 $ / kWc	9,2	10,0	11,0	12,2	13,8	15,7	18,3	22,0	27,5
2600 $ / kWc	10,8	11,8	13,0	14,4	16,3	18,6	21,7	26,0	32,5
3000 $ / kWc	12,5	13,6	15,0	16,7	18,8	21,4	25,0	30,0	37,5
3400 $ / kWc	14,2	15,5	17,0	18,9	21,3	24,3	28,3	34,0	42,5
3800 $ / kWc	15,8	17,3	19,0	21,1	23,8	27,1	31,7	38,0	47,5
4200 $ / kWc	17,5	19,1	21,0	23,3	26,3	30,0	35,0	42,0	52,5
4600 $ / kWc	19,2	20,9	23,0	25,6	28,8	32,9	38,3	46,0	57,5
5000 $ / kWc	20,8	22,7	25,0	27,8	31,3	35,7	41,7	50,0	62,5

kWc = kilowatt crête
source: Wikipédia anglophone

Productivité électrique annuelle :

• Sud (Sud est un nom :) de l'Allemagne: ~900-1.130 kWh/kWc/an
• Italie: ~1.800 kWh/kWc/an
• Espagne: ~1.800 kWh/kWc/an
• Îles Canaries: ~2.000 kWh/kWc/an
• Île (Une île est une étendue de terre entourée d'eau, que cette eau soit celle d'un cours d'eau, d'un lac ou d'une mer. Son étymologie latine, insula, a donné l'adjectif « insulaire » ; on dit aussi...) d'Hawaii: ~2.100 kWh/kWc/an
• Sahara: ~2.270 kWh/kWc/an
• Australie (Great Sandy): ~2.320 kWh/kWc/an
• Moyen-Orient: ~2.360 kWh/kWc/an
• Amérique du Sud (Atacama): ~2.410 kWh/kWc/an

Prix des équipements :

• Modules polycristalins (fabrication): ~2.000 $ / kWc
• Modules polycristalins (commerce): de 3.490 $ à 5.100 $ / kWc (8 m²/kWc)
• Installation: de 600 $ à 2.000 $ / kWc (en autoconstruction de 100 $ à 400 $/ kWc)
• Onduleur (Un onduleur est un dispositif d'électronique de puissance permettant de délivrer des tensions et des courants alternatifs à partir d'une source d'énergie électrique continue. C'est la fonction inverse d'un redresseur.) pour injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) réseau : ~400 $/kWc

Bilan énergétique (de la fabrication au recyclage)

Voir http://www.outilssolaires.com/pv/prin-bilan.htm

Notes