Cellule photovoltaïque

Une cellule photovoltaïque (ou «photo-galvanique») 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 dépend de la lumière incidente. L'électricité produite dépend de l'éclairement, la cellule photovoltaïque produit un courant continu.

Les cellules photovoltaïques les plus communes sont constituées de semi-conducteurs, essentiellement à base de silicium (Si) et plus rarement d'autre semi-conducteurs : sulfure de cadmium (CdS), tellurure de cadmium (CdTe), etc. Elles se présentent le plus souvent sous la forme de fines plaques, rondes ou carrées, d'une dizaine de centimètres de coté, prises en sandwich entre deux contacts métalliques, pour une épaisseur de l'ordre du millimètre.

Les cellules sont fréquemment réunies dans des modules solaires photovoltaïques (ou "panneaux solaires"), selon la puissance recherchée.

Principe de fonctionnement

Dans un semi-conducteur exposé à la lumière, un photon d'énergie suffisante arrache un électron, créant au passage un "trou". Théoriquement, 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 par conséquent 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 :

• La couche supérieure de la cellule se compose de silicium dopé N^[1]. 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 se compose de silicium dopé P^[2]. Cette couche possèdera par conséquent 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)  ; la totalité 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, lorsque 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 "-"), alors que les trous s'accumulent dans la couche dopée P (qui devient le pôle "+"). Ce phénomène est plus efficace dans la ZCE, où il n'y a quasiment plus de porteurs de charges (électrons ou trous) dans la mesure où ils se sont annihilés, ou à la proximité immédiate de la ZCE : quand un photon y crée une paire électron-trou, ils se séparent et ont peu de chance de rencontrer leur opposé, tandis 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 nécessairement particulièrement mince, aussi n'est-il pas utile de donner une grande épaisseur à la cellule^[3].

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 peut-être empiler les jonctions, de manière à exploiter au mieux le spectre d'énergie des photons, ce qui donne les cellules multi-jonctions. Français : Intégration en toiture de panneaux solaires thermiques (10 m²) et photovoltaïques (20 m²) Source Photo prise par F5ZV le 26 avril 2006

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Date 26 avril 2006

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Technique de fabrication

Le silicium est aujourd'hui 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 surtout dans le sable ou le quartz. La première étape est la production de silicium dit métallurgique, pur à 98% uniquement, 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 appelées «lingots» de section ronde ou carrée. Ces lingots sont ensuite sciés en fines plaques mises au carré (si indispensable) de 200 micromètres d'épaisseur qui sont nommées «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 à peu près 2 à 3 ans^[4] suivant sa technologie pour produire l'énergie qui a été indispensable à sa fabrication (retour energétique 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 aujourd'hui à l'étude, mais leur utilisation est quasiment négligeable.

Les matériaux et procédés de fabrication font l'objet de programmes de recherches ambitieux pour diminuer 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 tout 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 désormais atteindre rapidement les 180 puis 150 microns, diminuant la quantité de silicium et d'énergie indispensable, mais également 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 particulièrement foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires".

• avantages :
  • fonctionne avec un faible éclairement (même par temps couvert ou à l'intérieur d'un bâtiment),
  • moins chère que les autres technologies,
  • moins sensible aux températures élevées que les cellules mono ou polycristallines.
• inconvénients :
  • rendement faible en plein soleil, de 60 Wc/m²^[5],
  • performances qui diminuent énormément avec le temps.

Cellule en silicium monocristallin

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 généralement d'un bleu uniforme.

• avantage :
  • très bon rendement, de 150 Wc/m²^[5] ou plus (2007).
• inconvénients :
  • coût élevé

Cellule en silicium multicristallin

Au cours du 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) donnant la possibilité un meilleur foisonnement dans un module
  • bon rendement de conversion, à peu près 100 Wc/m²^[5], mais cependant légèrement moins bon que pour le monocristallin,
  • lingot moins cher à produire que le monocristallin.
• inconvénient :
  • rendement faible sous un faible éclairement.

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

Polycristallin ou multicristallin ? On parlera ici de silicium multicristallin (réf. IEC TS 61836, vocabulaire mondial 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) absorbant dans des domaines spectraux se chevauchant, on perfectionne le rendement théorique comparé à des cellules simples différentes, 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 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 (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 envisageable (en multipliant leur nombre d'autant) de façon 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 systèmes 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%^[6] (sep. 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 toutefois : 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. Quoique les quantités de ces matières premières nécessaires à la fabrication des cellules solaires soient illimitétésimales, 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

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

Elles sont particulièrement utilisées à la place des piles (dont l'énergie est de loin la plus chère pour l'utilisateur ; même pour le fabricant, un compartiment pile et la pile peut-être apportée peuvent couter plus cher qu'une cellule), pourvu que le système ne réclame pas trop d'énergie comparé 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 envisageable d'augmenter leur gamme d'utilisation avec un stockage (condensateur ou batterie). Quand elles sont utilisées avec un système de stockage de l'énergie, il est indispensable de placer une diode en série pour éviter la décharge du dispositif au cours de la nuit.

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

Recherche et développement

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

• la société «Evergreen Solar» a éliminé l'étape du sciage, remplacée par le dépôt de silicium toujours 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 l'ensemble des longueurs d'onde du spectre solaire (dont l'infra-rouge, ce qui ouvrirait des perspectives particulièrement 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 dispositif 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 sert à diminuer la proportion du panneau consacré à la production de l'électricité, et par conséquent leur coût. Qui plus est ces nouveaux matériaux (les III-V surtout) supportent particulièrement bien l'échauffement important du à la concentration du flux solaire^[7].
• 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 ^[8]). Le CIS semble pouvoir offrir un rendement modeste de 12%, mais à faible coût de fabrication.
• Des composés organiques (matières plastiques) peuvent aussi 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 le moment 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^[9] avoir testé (1000 heures à 85 °C et une hygrométrie de 85%) une cellule photovoltaique organique de type Grätzel non seulement plus résistante, mais au rendement perfectionné de 50 à 70 % grâce à une surface dépolie qui diffuse aléatoirement la lumière réfléchie au sein 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 : [1]. Pour le moment, seule une partie de la lumière visible, essentiellement 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. La transformation des infrarouges en électricité formera une véritable percée.

La pénurie de silicium accroît toujours l'incitation à l'innovation sur un marché en forte croissance qui s'annonce colossal, en particulier si on parvient à baisser le prix de revient de l'électricité produite ainsi qu'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)	165 Yen=1€	Déc. 2007

Notes

Voir aussi

• Énergie solaire photovoltaïque
• Maximum power point tracker
• CuInSe₂ (CIS)
• CIGS : (cuivre, indium, gallium, sélénium)
• Cellule photoélectrochimique
• Module solaire photovoltaïque
• Photovoltaïque raccordé au réseau
• Panneau solaire
• Cellule photoélectrique
• Photorésistance
• Tenerrdis
• ENF (base de données concernant les professionnels du photovoltaique)

Liens externes

• Le photovoltaïque expliqué par Hespul, l'association qui a installé le premier "toit solaire" en France
• Le solaire photovoltaïque par le Comité de Liaison des Énergies Renouvelables
• Modèle d'installation photovoltaïque par l'administration canadienne RETScreen
• Bilan énergétique d'une installation photovoltaïque dans plusieurs villes d'Europe
• (en) 45% de rendement en 2010
• 48% de rendement (industrialisation en cours)
• (en) 60% de rendement
• (en) Cellule photovoltaïque quantique de 65% de rendement
• (en) Cellule photovoltaïque - rendement théorique de 87%
• Le photovoltaïque à l'université de Neuchâtel
• (en) Thin Film Photovoltaics Characterization

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) 165 Yen=1€ Déc. 2007

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