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Cellule photovoltaïque
cellule photovoltaïque 4 pouces
cellule photovoltaïque 4 pouces

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...) 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 (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) est protégé par une vitre.

Principe de fonctionnement

Structure d'une cellule photovoltaïque
Structure d'une cellule photovoltaïque (Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère une tension électrique (volt) (cet effet est appelé l'effet photovoltaïque). Le courant obtenu est un courant...)

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 (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils...) 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’une collection ou un groupe de choses.) 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...) de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...), 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...) 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...) 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, généralement des électrons, au sein d'un...) 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 maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage puissant, qui transforme, par la chaleur les produits et les...). 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. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.). 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. Elle est insérée sur les tiges des plantes au niveau des...) de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué...). 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 par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) 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 (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et...), de 60Wc/m²[1],
    • performances qui diminuent sensiblement avec le temps.

Cellule en silicium monocristallin

Une cellule photovoltaïque monocristalline
Une cellule photovoltaïque monocristalline

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 perçue est haute et inversement. Chaque...) qu'un seul cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union...) 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,...). 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 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan à une teinte plus sombre...) uniforme.

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

Cellule en silicium polycristallin

Une cellule photovoltaïque polycristalline
Une cellule photovoltaïque polycristalline

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...) de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...). 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,...) 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,...) (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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) 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 branche de la physique...) 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...) 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 appelle...) 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 également...) 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 appropriés. Le plaisir procuré explique la...) 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 (Wikipédia (prononcé /wi.ki.pe.dja/) est une encyclopédie, multilingue, universelle, librement diffusable, disponible sur le Web et écrite par...) anglophone

Productivité électrique annuelle :

  • Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) 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 « îlien ».) d'Hawaii: ~2.100 kWh/kWc/an
  • Sahara: ~2.270 kWh/kWc/an
  • Australie (L’Australie (officiellement Commonwealth d’Australie) est un pays de l’hémisphère Sud dont la superficie couvre la plus grande partie de...) (Great Sandy): ~2.320 kWh/kWc/an
  • Moyen-Orient: ~2.360 kWh/kWc/an
  • Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan Pacifique; et à l'est, de l'Europe et de l'Afrique par...) 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

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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