Cellule photovoltaïque

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Figure 1. Un panneau solaire composé de nombreuses cellules photovoltaïques.[1]

Une cellule photovoltaïque (PV) est une technologie de récolte d'énergie, qui convertit l'énergie solaire en électricité utile par un processus appelé effet photovoltaïque. Il existe plusieurs types de cellules photovoltaïques différents qui utilisent tous des semi-conducteurs pour interagir avec les photons entrants du Soleil afin de générer un courant électrique.

Couches d'une cellule PV

Une cellule photovoltaïque est composée de nombreuses couches de matériaux, chacune ayant un objectif spécifique. La couche la plus importante d'une cellule photovoltaïque est la couche de semi-conducteur spécialement traitée. Il est composé de deux couches distinctes (type-p et type-n- voir la figure 3), et c'est ce qui convertit l'énergie du Soleil en électricité utile par un processus appelé effet photovoltaïque (voir ci-dessous). De chaque côté du semi-conducteur se trouve une couche de matériau conducteur qui recueille l'électricité produite. Notez que la face ombragée de la cellule peut se permettre d'être entièrement recouverte de conducteurs, tandis que la face éclairée doit utiliser les conducteurs avec modération pour ne pas empêcher trop de rayonnement du Soleil d'atteindre le semi-conducteur. La dernière couche, qui est appliquée uniquement sur le côté éclairé de la cellule, est le revêtement antireflet. Comme tous les semi-conducteurs sont naturellement réfléchissants, la perte de réflexion peut être importante. La solution consiste à utiliser une ou plusieurs couches d'un revêtement antireflet (semblable à ceux qui sont utilisés dans les lunettes et les appareils photo) afin de réduire la quantité de rayonnement solaire qui est réfléchie par la surface de la cellule.[2]

Figure 2. Le fonctionnement de base d'une cellule photovoltaïque.[3]

Effet photovoltaïque

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Figure 3. Un graphique montrant l'effet photovoltaïque.[4]

L'effet photovoltaïque est un processus qui génère une tension ou un courant électrique dans une cellule photovoltaïque lorsqu'elle est exposée à la lumière du Soleil. Ces cellules solaires sont composées de deux types différents de semi-conducteurs (un type-p et un type-n) qui sont joints ensemble pour créer une jonction p-n. En joignant ces deux types de semi-conducteurs, un champ électrique se forme dans la région de la jonction car les électrons se déplacent vers le côté-p positif et les trous d'électrons se déplacent vers le côté-n négatif. Ce champ fait bouger les particules chargées négativement dans une direction et les particules chargées positivement dans l'autre direction.[5] La lumière est composée de photons, qui sont simplement de petits paquets de rayonnement électromagnétique ou d'énergie. Lorsque la lumière d'une longueur d'onde appropriée est incidente sur ces cellules, l'énergie du photon est transférée à un électron du matériau semi-conducteur, ce qui le fait passer à un état d'énergie plus élevé appelé « bande de conduction ». Dans leur état excité dans la bande de conduction, ces électrons sont libres à se déplacer dans le matériau, et c'est ce mouvement de l'électron qui crée un courant électrique dans la cellule.

Efficacité des cellules solaires

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Le rendement est une considération de conception pour les cellules photovoltaïques, car il existe de nombreux facteurs qui limitent leur efficacité. Le facteur principal est qu'un quart de l'énergie solaire pour la Terre ne peut pas être converti en électricité par un semi-conducteur en silicium. La physique des semi-conducteurs exige une énergie minimale du photon pour retirer un électron d'une structure cristalline, connue sous le nom d'énergie de la bande interdite. Si un photon possède moins d'énergie que la bande interdite, il est absorbé sous forme d'énergie thermique. Pour le silicium, l'énergie de la bande interdite est de 1.12 électron-volts.[6] Étant donné que l'énergie des photons du Soleil couvre une large gamme d'énergie, une partie de l'énergie entrante du Soleil n'est pas suffisante pour faire sortir un électron dans une cellule photovoltaïque en silicium. Même pour la lumière qui peut être absorbée, il y a toujours un problème. Toute énergie dépassant l'énergie de la bande interdite sera transformée en chaleur. Cela réduit également l'efficacité, car cette énergie thermique n'est pas utilisée pour une tâche utile.[6] Parmi les électrons mis à disposition, pas tous parviendront jusqu'au contact métallique et produiront de l'électricité. En effet, certains électrons ne seront pas suffisamment accélérés par la tension à l'intérieur du semi-conducteur. Pour les raisons citées, le rendement théorique des cellules photovoltaïques au silicium est d'environ 33 %.[6]

Il existe des moyens d'améliorer l'efficacité des cellules photovoltaïques, mais ils ont tous un coût plus élevé. Ces méthodes incluent l'augmentation de la pureté du semi-conducteur, l'utilisation d'un matériau plus efficace tel que l'arséniure de gallium, l'ajout de couches supplémentaires ou de jonctions p-n à la cellule ou encore la concentration de l'énergie du Soleil à l'aide de la photovoltaïque concentrée. D'autre part, les cellules photovoltaïques se dégradent, produisant moins d'énergie au fil du temps, en raison de divers facteurs, notamment l'exposition aux UV et les cycles climatiques. Un rapport complet du National Renewable Energy Laboratory (NREL) indique que le taux de dégradation médian est de 0,5 % par an.[7]

Types de cellules PV

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Figure 4. Image comparant une cellule de silicium polycristallin (à gauche) et une cellule de silicium monocristallin (à droite).[8]

Les cellules photovoltaïques peuvent être fabriquées de diverses manières et à partir de nombreux matériaux différents. Le matériau le plus courant pour la construction de cellules solaires commerciales est le silicium (Si). On trouve aussi l'arséniure de gallium (GaAs), le tellurure de cadmium (CdTe) et le séléniure de cuivre, d'indium et de gallium (CIGS). Les cellules solaires peuvent être construites à partir de structures cristallines fragiles (Si, GaAs) ou sous forme de cellules flexibles à couche mince (Si, CdTe, CIGS). Les cellules solaires cristallines peuvent être classées en deux catégories : monocristallines et polycristallines, comme le montre la figure 4. Comme leur nom l'indique, les cellules photovoltaïques monocristallines sont composées d'un réseau cristallin uniforme ou individuel, tandis que les cellules polycristallines contiennent des structures cristallines différentes ou variées. Les cellules solaires peuvent également être classées selon leur nombre de couches ou de jonctions p-n. La plupart des cellules photovoltaïques commerciales sont à une seule jonction, mais des cellules photovoltaïques à plusieurs jonctions ont également été développées pour obtenir des rendements plus élevés à un coût plus élevé.

En savoir plus

Références

  1. "20110504-RD-LSC-0621 - Flickr - USDAgov" by U.S. Department of Agriculture. Licensed under CC BY 2.0 via Wikimedia Commons - http://commons.wikimedia.org/wiki/File:20110504-RD-LSC-0621_-_Flickr_-_USDAgov.jpg#/media/File:20110504-RD-LSC-0621_-_Flickr_-_USDAgov.jpg
  2. C. Julian Chen. Physics of Solar Energy, 1st ed. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons Inc., 2011.
  3. Wikimedia Commons [Online], Available: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7d/Operation_of_a_basic_photovoltaic_cell.gif
  4. Créé en interne par un membre de l'Équipe d'éducation en matière de l'énergie. Adapté de : Ecogreen Electrical. (14 août 2015). Solar PV Systems [Online]. Available: http://www.ecogreenelectrical.com/solar.htm
  5. G. Boyle. Renewable Energy: Power for a Sustainable Future, 2nd ed. Oxford, UK: Oxford University Press, 2004.
  6. 6,0 6,1 et 6,2 R. Wolfson, "Photovoltaic Solar Energy" in Energy, Environment, and Climate, 2nd ed., New York, NY: W.W. Norton & Company, 2012, ch. 9, sec. 5, pp. 244-252
  7. Dirk C. Jordan and Sarah R. Kurtz. Photovoltaic Degradation Rates — An Analytical Review, National Renewable Energy Laboratory, USA, 2012. Accessed April 24, 2018. [Online] Available at https://www.nrel.gov/docs/fy12osti/51664.pdf
  8. Wikimedia Commons. (August 18, 2015). Comparison of Solar Cells [Online]. Available: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/71/Comparison_solar_cell_poly-Si_vs_mono-Si.png

Auteurs et rédacteurs

Ethan Boechler, Anna Pletnyova, Jason Donev
Dernière mise à jour : 13 août, 2021
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