Photovoltaïque : différents types de cellules.

Une cellule photovoltaïque est composée d'un matériau semi-conducteur qui capte l'énergie solaire et la transforme en électricité. Le matériau le plus grandement utilisé par les industriels est le silicium qui est, après l'oxygène, l'élément le plus abondant sur terre, soit près de 26% de sa masse. D'autres matériaux sont utilisés, comme le disélénium de cuivre indium (CIS) et le tellurure de cadmium (CdTe) qui permettent de réduire les coûts de fabrication.

Qu'est-ce que silicium ?

Symbole chimique Si, le silicium est l'élément le plus répandu sur terre après l'oxygène. Il est présent sous forme de composés et non à l'état libre. On connait tous la silice (ou oxyde de silicium amorphe, un des composés du silicium) présent dans le sable et le quartz. Le silicium se retrouve également dans de nombreux minéraux appelés silicates comme le feldspath, la kaolinite, la calcédoine. Associé à deux atomes d'oxygène, le silicium devient un composé chimique, le dioxyde de silicium (SiCO2). Sous forme de cristaux gris ou noirs à reflets bleutés avec une structure type diamant, le silicium est le composant essentiel du verre. Grâce à ses propriétés de semi-conducteur (conductivité inférieure à celle des métaux), le silicium entre dans la fabrication des transistors et des circuits intégrés (puces) des appareils électroniques.

Effet photovoltaïque

Découvert en 1839 par Alexandre Edmond Becquerel, l'effet photovoltaïque est obtenu grâce à l'absorption des photons qui composent la lumière du soleil par un matériau semi-conducteur constitué d'électrons. Le rayonnement solaire est transformé en énergie électrique par l'impulsion donnée à l'électron qui s'échappe de l'atome.

Cellules photovoltaïques

La technologie a évolué depuis 50 ans et on distingue aujourd'hui 3 générations de cellules photovoltaïques : les cellules de première génération composées de silicium monocristallin ou polycristallin, les cellules de deuxième génération appelées "thin films" ou couches minces et les cellules de troisième génération encore au stade de la recherche qui visent à dépasser la limite actuelle de rendement.

Le rendement d'une cellule est le rapport entre l'énergie lumineuse du soleil reçue par la cellule et l'énergie électrique qu'elle produit. Si chaque photon pouvait transférer toute son énergie à un électron, on obtiendrait un rendement de 85%, mais la valeur théorique est limitée à 50%.

Les cellules de première génération composent encore aujourd'hui la grande majorité des équipements photovoltaïques (80% du marché). Le silicium est fondu et refroidi lentement pour obtenir un seul cristal homogène (monocristallin) ou plus rapidement ce qui entraîne la formation de cristaux (polycristallin). Ces lingots de silicium sont découpés en cellules rigides photovoltaïques d'une épaisseur d'environ 200microns. Leur rendement diffère selon qu'on emploie du silicium monocristallin ou polycristallin. Le silicium monocristallin en module commercial offre le meilleur rendement entre 12% et 20%, tandis que le silicium polycristallin permet d'obtenir des cellules avec un rendement entre 11% et 15% pour un coût de fabrication inférieur. Le silicium amorphe (a-Si) qui est la variété non cristallisée du silicium n'est plus utilisé pour la fabrication des cellules photovoltaïques, il nécessite de trop grandes surfaces.

Pour leur donner de la flexibilité, ont été mises au point les cellules de deuxième génération, "thin films" ou couches minces, fabriquées à partir de tellurure de cadmium (CdTe), de disélénium de cuivre indium (CIS) ou encore de gallium. Si leur coût de fabrication est nettement plus faible, leur rendement l'est aussi, entre 5% et 11% selon le composant. Ce type de panneaux est moins sensible aux changements de luminosité et peut produire de l'électricité même par temps nuageux. En revanche leur fabrication nécessite des métaux rares et polluants (cadmium, indium, sélénium).

Le choix du type de cellules s'effectue en fonction de la surface disponible, de l'ensoleillement et du budget consacré pour s'équiper. Si vous disposez d'une surface réduite, privilégiez les cellules fabriquées à partir de monocristallin, plus cher, mais qui récupérera plus d'énergie que le polycristallin. En revanche, si la surface disponible est grande, choisissez le polycristallin pour une différence de prix conséquente.