Photovoltaique

Cellule photovoltaïque

cellule photovoltaïque 4 pouces.
Champ de panneaux photovoltaïques, composés de cellules.

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère de l’électricité. C’est l’effet photovoltaïque qui est à l’origine du phénomène. Le courant obtenu est fonction de la lumière incidente. L’électricité produite est fonction de l’éclairement, la cellule photovoltaïque produit un courant continu.

Les cellules photovoltaïques les plus répandues sont constituées de semi-conducteurs, principalement à base de silicium (Si) et plus rarement d’autre semi-conducteurs : sélénure de cuivre et d'indium (CuIn(Se)2 ou CuInGa(Se)2), tellurure de cadmium (CdTe), etc. Elles se présentent généralement sous la forme de fines plaques d’une dizaine de centimètres de côté, prises en sandwich entre deux contacts métalliques, pour une épaisseur de l’ordre du millimètre.

Les cellules sont souvent réunies dans des modules solaires photovoltaïques ou panneaux solaires, en fonction de la puissance recherchée.

Sommaire

Histoire

Le principe de l'effet photovoltaïque (transformation directe d'énergie portée par la lumière en électricité) a été appliqué dès 1839 par Antoine Becquerel qui a noté qu'une chaîne d'éléments conducteurs d'électricité donnait naissance à un courant électrique spontané quand elle était éclairée. Plus tard, le sélénium puis le silicium (qui a finalement pour des raisons de coût supplanté le cadmium-tellure ou le cadmium-indium-sélénium également testés) se sont montrés aptes à la production de premières cellules photovoltaïques (posemètres pour la photographie dès 1914, puis 40 ans plus tard (en 1954) pour une production électrique [1]. La recherche porte aussi maintenant sur des polymères et matériaux organiques susceptibles (éventuellement souples) qui pourraient remplacer le silicium.

Principe de fonctionnement

Articles connexes : photodiode et effet photovoltaïque.

Dans un semi-conducteur exposé à la lumière, un photon d'énergie suffisante arrache un électron, créant au passage un "trou". Normalement, l'électron trouve rapidement un trou pour se replacer, et l'énergie apportée par le photon est ainsi dissipée. Le principe d'une cellule photovoltaïque est de forcer les électrons et les trous à se diriger chacun vers une face opposée du matériau au lieu de se recombiner simplement en son sein : ainsi, il apparaitra une différence de potentiel et donc une tension entre les deux faces, comme une pile.

Pour cela, on s'arrange pour créer un champ électrique permanent au moyen d'une jonction PN, entre deux couches dopées respectivement P et N :

Structure d'une cellule photovoltaïque
  • La couche supérieure de la cellule est composée de silicium dopé N[2]. Dans cette couche, il existe une quantité d'électrons libres supérieure à une couche de silicium pur, d'où l'appellation de dopage N, comme négatif (charge de l'électron). Le matériau reste électriquement neutre : c'est le réseau cristallin qui supporte globalement une charge positive.
  • La couche inférieure de la cellule est composée de silicium dopé P[3]. Cette couche possèdera donc en moyenne une quantité d'électrons libres inférieure à une couche de silicium pur, les électrons sont liés au réseau cristallin qui, en conséquence, est chargé positivement. La conduction électrique est assurée par des trous, positifs (P).

Au moment de la création de la jonction P-N, les électrons libres de la région N rentrent dans la couche P et vont se recombiner avec les trous de la région P. Il existera ainsi, pendant toute la vie de la jonction, une charge positive de la région N au bord de la jonction (parce que les électrons en sont partis) et une charge négative dans la région P au bord de la jonction (parce que les trous en ont disparu) ; l'ensemble forme la Zone de Charge d'Espace ( ZCE ) et il existe un champ électrique entre les deux, de N vers P. Ce champ électrique fait de la ZCE une diode, qui ne permet le passage du courant que dans un sens : les électrons peuvent passer de la région P vers la région N, mais pas en sens inverse ; inversement les trous ne passent que de N vers P.

En fonctionnement, quand un photon arrache un électron à la matrice, créant un électron libre et un trou, sous l'effet de ce champ électrique ils partent chacun à l'opposé : les électrons s'accumulent dans la région N (qui devient le pôle négatif ), tandis que les trous s'accumulent dans la couche dopée P (qui devient le pôle positif ). Ce phénomène est plus efficace dans la ZCE, où il n'y a pratiquement plus de porteurs de charges (électrons ou trous) puisqu'ils se sont annihilés, ou à la proximité immédiate de la ZCE : lorsqu'un photon y crée une paire électron-trou, ils se séparent et ont peu de chance de rencontrer leur opposé, alors que si la création a lieu plus loin de la jonction, l'électron (resp. le trou) nouveau conserve une grande chance de se recombiner avant d'atteindre la zone N (resp. la zone P). Mais la ZCE est forcément très mince, aussi n'est-il pas utile de donner une grande épaisseur à la cellule[4].

En somme, une cellule photovoltaïque est l'équivalent d'un générateur de courant auquel on a adjoint une diode.

Il faut ajouter des contacts électriques (qui laissent passer la lumière en face éclairée : en pratique, on utilise un contact par une grille), une couche antireflet pour assurer une bonne absorption des photons, etc.

Pour que la cellule fonctionne, et produise le maximum de courant, on ajuste le gap du semi-conducteur au niveau d'énergie des photons. On peut éventuellement empiler les jonctions, de façon à exploiter au mieux le spectre d'énergie des photons, ce qui donne les cellules multi-jonctions.

Technique de fabrication

Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques. On l'obtient par réduction à partir de silice, composé le plus abondant dans la croute terrestre et notamment dans le sable ou le quartz. La première étape est la production de silicium dit métallurgique, pur à 98% seulement, obtenu à partir de morceaux de quartz provenant de galets ou d'un gisement filonien (la technique de production industrielle ne permet pas de partir du sable). Le silicium de qualité photovoltaïque doit être purifié jusqu'à plus de 99,999%, ce qui s'obtient en transformant le silicium en un composé chimique qui sera distillé puis retransformé en silicium.

Le silicium est produit sous forme de barres nommées « lingots » de section ronde ou carrée. Ces lingots sont ensuite sciés en fines plaques mises au carré (si nécessaire) de 200 micromètres d'épaisseur qui sont appelées « wafers ». Après un traitement pour injecter enrichir en éléments dopant (P, As, Sb ou B) et ainsi obtenir du silicium semi-conducteur de type P ou N, les wafers sont « métallisés » : des rubans de métal sont incrustés en surface et reliés à des contacts électriques. Une fois métallisés les wafers sont devenus des cellules photovoltaïques.

La production des cellules photovoltaïques nécessite de l'énergie, et on estime qu'un module photovoltaïque doit fonctionner environ 2 à 3 ans[5] suivant sa technologie pour produire l'énergie qui a été nécessaire à sa fabrication (retour énergétique du module).

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

Les matériaux et procédés de fabrication font l'objet de programmes de recherches ambitieux pour réduire les coûts de possession et de recyclage des cellules photovoltaïques. Les technologies couches minces sur substrats banalisés semblent recueillir les suffrages de l'industrie naissante. En 2006 et 2007, la croissance de la production mondiale de panneaux solaires a été freinée par manque de silicium, et les prix des cellules n'ont pas baissé autant qu'espéré . L'industrie cherche à faire baisser la quantité de silicium utilisé. Les cellules monocristallines sont passées de 300 microns d'épaisseur à 200 et on pense maintenant atteindre rapidement les 180 puis 150 microns, diminuant la quantité de silicium et d'énergie nécessaire, mais aussi les prix.

Cellule en silicium amorphe

Le silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projeté sur une feuille de verre. La cellule est gris très foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires".

  • avantages :
    • fonctionne avec un éclairement faible ou diffus (même par temps couvert),
    • un peu moins chère que les autres technologies,
    • intégration sur supports souples ou rigides.
  • inconvénients :
    • rendement faible en plein soleil, de 5% à 7%[6],
    • nécessité de couvrir des surfaces plus importantes que lors de l’utilisation de silicium cristallin (ratio Wc/m² plus faible, environ 60 Wc/m2)[7],
    • performances qui diminuent avec le temps (~7%).

Cellule en silicium monocristallin

Solar cell.png

Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme.

  • avantages :
    • bon rendement, de 14% à 16% [6],
    • bon ratio Wc/m2 (~150 Wc/m2)[7] ce qui permet un gain de place si nécessaire,
    • nombre de fabricants élevé.
  • inconvénients :
    • coût élevé,

Cellule en silicium multicristallin

Une cellule photovoltaïque à base de silicium multicristallin

Pendant le refroidissement du silicium dans une lingotière, il se forme plusieurs cristaux. La cellule photovoltaïque est d'aspect bleuté, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux.

  • avantages :
    • cellule carrée (à coins arrondis dans le cas du Si monocristallin) permettant un meilleur foisonnement dans un module,
    • bon rendement de conversion, environ 100 Wc/m2[7], mais cependant un peu moins bon que pour le monocristallin,
    • lingot moins cher à produire que le monocristallin.
  • inconvénient :
    • rendement faible sous un faible éclairement.


Polycristallin ou multicristallin ? On parlera ici de silicium multicristallin (réf. IEC TS 61836, vocabulaire international photovoltaïque). Le terme polycristallin est utilisé pour les couches déposées sur un substrat (petits grains).

Cellule Tandem

Empilement monolithique de deux cellules simples. En combinant deux cellules (couche mince de silicium amorphe sur silicium cristallin par exemple) 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.

  • avantage :
    • sensibilité élevée sur une large plage de longueur d'onde. Excellent rendement.
  • inconvénient :
    • coût élevé dû à la superposition de deux cellules.

Cellule photovoltaïque organique

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 (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 avec des longueurs aussi proches les unes des autres que possible (en multipliant leur nombre d'autant) de manière à ce qu'une majorité du spectre solaire soit absorbé, ce qui génère un maximum d'électricité à partir du flux solaire. L'usage 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), un consortium (dirigé par des chercheurs de l'université du Delaware) a obtenu un rendement de 42.8%[8] (septembre. 2007). Le coût de ces cellules est de l'ordre de USD 40 $/cm2.

Semi conducteur fbi

La technique consiste à déposer un matériau semi conducteur à base de cuivre, de gallium, d'indium et sélénium sur un support.

Une inquiétude cependant : les ressources en matières premières. Ces nouvelles techniques utilisent des métaux rares comme l'indium dont la production mondiale est de 25 tonnes par an et le prix d'avril 2007 de 1000 dollars le kg ; le tellure dont la production mondiale est de 250 tonnes par an ; le gallium d'une production de 55 tonnes par an ; le germanium d'une production de 90 tonnes l'an. Bien que les quantités de ces matières premières nécessaires à la fabrication des cellules solaires soient infinitésimales, un développement massif mondial des panneaux solaires photovoltaiques en couches minces sans silicium ne manquerait pas de se heurter à cette disponibilité physique limitée.

Utilisation

Article détaillé : Module solaire photovoltaïque.

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

Elles sont très utilisées en remplacement des piles (dont l'énergie est de loin la plus chère pour l'utilisateur ; même pour le fabricant, un compartiment pile et la pile éventuellement fournie peuvent couter plus cher qu'une cellule), pourvu que le dispositif ne réclame pas trop d'énergie par rapport à la surface qu'on peut accorder au générateur photovoltaïque, et qu'il y ait assez de lumière pendant l'usage : les cellules ont envahi calculette, montres, gadgets, etc.

Il est possible d'augmenter leur gamme d'utilisation avec un stockage (condensateur ou batterie). Lorsqu'elles sont utilisées avec un dispositif de stockage de l'énergie, il est indispensable de placer une diode en série pour éviter la décharge du système pendant la nuit.

Elles sont utilisées pour produire de l'électricité pour de nombreuses applications (satellites, parc-mètres, ...), ainsi que pour alimenter des habitations ou un réseau public de distribution dans le cas d'une centrale solaire photovoltaïque.

Prospective, recherche et développement

La technique n'a pas atteint la maturité et de nombreuses pistes de recherches sont explorées ; il s'agit d'abord de faire baisser le prix de revient de l'électricité produite, mais aussi d'obtenir des progrès en matière de rusticité, de souplesse d'usage, de facilité d'intégration dans des objets, de durée de vie, etc.). Toutes les étapes des procédés de fabrication peuvent être améliorées, par exemple :

  • la société « Evergreen Solar » a éliminé l'étape du sciage, remplacée par le dépôt de silicium encore liquide sur un film où il se cristallise directement à l'épaisseur du "wafer"
  • la société « NanoSolar » industrialise la production de cellules CGIS par une technique d'imprimerie, en continu, en espérant des coûts de 1 $/W en 2010.
  • toutes les sociétés annoncent successivement des accroissements du rendement de leurs cellules
  • la taille des wafers croit régulièrement, ce qui diminue le nombre de manipulations
  • On cherche à mieux valoriser toutes les longueurs d'onde du spectre solaire (dont l'infra-rouge, ce qui ouvrirait des perspectives très intéressantes : transformation directe de la lumière d'une flamme en électricité, rafraichissement).
  • Des « concentrateurs » (déjà utilisés sur les satellites) sont testés sur terre. Via des miroirs et des lentilles incorporées dans le panneau, ils focalisent le rayonnement sur l'élément essentiel et coûteux qui est la cellule photovoltaïque et ses semi-conducteurs. Fin 2007, Sharp a annoncé disposer d'un système concentrant jusqu'à 1100 fois le rayonnement solaire (contre 700 fois pour le précédent record en 2005); début 2008, Sunrgi a atteint 1600 fois. La concentration permet de diminuer la proportion du panneau consacré à la production de l'électricité, et donc leur coût. De plus ces nouveaux matériaux (les III-V notamment) supportent très bien l'échauffement important du à la concentration du flux solaire[9].
  • On étudie aussi la possibilité d'associer les siliciums amorphe et cristallin par « hétérojonction », dans une même cellule photovoltaïque à plus de 20 % de rendement. Projet de 2 ans annoncé début 2008, associant le Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et des nanomatériaux du CEA-Liten et la société coréenne JUSUNG (fournisseur d'équipements pour les fabricants de semi-conducteurs), avec l'INES (Savoie) où le CEA-Liten a concentré ses activités concernant l'énergie solaire.
  • D'autres semi-conducteurs (sélénium; association Cuivre-Indium-Sélénium (CIS) en couche mince) sont étudiés par exemple en France par l'institut de recherche et développement sur l'énergie photovoltaïque (IRDEP [10]). Le CIS semble pouvoir offrir un rendement modeste de 12%, mais à faible coût de fabrication. En 2009, selon ENF, il existe 25 entreprises produisant ce type de panneau solaire, Würth Solar est le principal vendeur avec 15 MWc vendus en 2007[11].
  • Des composés organiques (matières plastiques) peuvent également être utilisés pour réaliser des cellules polymères photovoltaïques et pourraient permettre de réaliser des panneaux souples et légers, des tuiles, voiles ou tissus photovoltaïques, espère-t-on à faible coût de fabrication. Pour l'instant leurs rendements sont faibles (5% maximum), ainsi peut-être que leur durée de vie, et de nombreux problèmes techniques restent à résoudre. Début 2008, le groupe japonais Fujikura a annoncé[12] avoir testé (1000 heures à 85 °C et une hygrométrie de 85%) une cellule photovoltaïque organique de type Grätzel non seulement plus résistante, mais au rendement amélioré de 50 à 70 % grâce à une surface dépolie qui diffuse aléatoirement la lumière réfléchie à l'intérieur de la cellule où elle libère à nouveau des charges électriques en activant d'autres pigments photosensibles.
  • Une équipe Américaine du Boston collège à Chestnut Hill (Massachusetts) a mis au point des panneaux solaires capables de récupérer les infrarouges et de les transformer en électricité. Ce qui permettrait une production d’énergie électrique à partir de n’importe quelle source de chaleur, même la nuit[13]. Pour l'instant, seule une partie de la lumière visible, principalement les rayonnements verts et les bleus, est transformée en électricité et le rayonnement infrarouge n'est utilisé que par les panneaux thermiques pour chauffer de l’eau.
  • On cherche aussi à faire des cellules transparentes ; des modélisations pilotées par l'Institut allemand Fraunhofer de mécanique des matériaux (IWM ; projet "METCO"[14] laissent penser que des cellules transparentes bi-couches pourraient un jour être produire industriellement. Les semi-conducteurs de type P (couche à lacunes électroniques ) transparent semblent les plus difficiles à produire (le phosphore pourrait être un dopant-P de l'oxyde de zinc, mais l'azote serait plus prometteur[15]).
  • Enfin, la pénurie de silicium ou de produits dopant (Le prix de l'indium a décuplé de 2002 à 2009, suite à sa raréfaction) accroît encore l'incitation à l'innovation sur un marché en forte croissance qui s'annonce colossal, surtout si on parvient à baisser le prix de revient de l'électricité produite et à le rapprocher de celui des combustibles fossiles.

Feuille de route du photovoltaïque

Voici quelques objectifs que l'industrie japonaise s'est donnés :

Thème Cible 2010 Cible 2020 Cible 2030
Coût de production 100 yen/watt 75 yen/watt <50 yen/watt
Durée de vie - +30 ans -
Consommation de matière première - - 1 g/watt
Coût du convertisseur - - 15 000 yen/kW
Coût de la batterie - 10 yen/Wh -
Efficacité cellule cristalline 20 % 25 % 25 %
Efficacité cellule couche mince 15 % 18 % 20 %
Efficacité cellule CIS 19 % 25 % 25 %
Efficacité cellule III-V 40 % 45 % 50 %
Efficacité cellule "Dye Sensitized" 10 % 15 % 18 %

Source Nedo (Japon), 134.62 yen = 1 €, août 2009

Notes

  1. Christian NGÔ, ; « L'Énergie, ressources, technologies et environnement », Dunod CEA, 2002
  2. une petite proportion des atomes de silicium est remplacée par un élément de valence supérieure dans la classification périodique, c’est-à-dire qui possède plus d'électrons sur sa couche de 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.
  3. par un élément de valence inférieure au silicium. Il peut s'agir de Bore (B) ou d'un autre élément de la colonne 13.
  4. On peut, en revanche, lui donner une forme ondulée, comme sur l'exemple : le volume actif est augmenté
  5. IEA - Compared assessment of selected environmental indicators of photovoltaic electricity in OECD cities[pdf]
  6. a  et b [1]
  7. a , b  et c [pdf] Rendement suivant les matériaux d'après ADEME
  8. Green Car Congress: UD-Led Team Sets Solar Cell Efficiency Record of 42.8%; Joins DuPont on $100M Project
  9. Source : Nikkei Net (2007 12 06) (en), Bulletin de l'ambassade de France
  10. Institut associant EDF, CNRS et Ecole nationale supérieure de chimie de Paris (ENSCP)
  11. (fr) Famille CIS - Couche mince(En production)
  12. Nikkei Net - 04/02/2008
  13. (fr) L’énergie de demain sera-t-elle tirée de l'infrarouge ? sur futurascience.
  14. Faisabilité et évaluation de systèmes de couches minces transparents et conducteurs d'électricité avec des couches de semi-conducteurs oxydantes (Machbarkeit und Evaluierung transparenter und elektrisch leitfähiger Dünnfilmsysteme mit oxidischen Halbleiterschichten)
  15. Source BE Allemagne numéro 441 ; Ambassade de France en Allemagne ; ADIT (17/06/2009), citant un - 06/2009 Communiqué de presse Fraunhofer (en)

Voir aussi

Liens externes

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