Performance et efficacité solaires

L'efficacité de conversion d'une cellule photovoltaïque (PV) , ou cellule solaire , est le pourcentage de l'énergie solaire projetée sur un appareil photovoltaïque qui est convertie en électricité utilisable. L'amélioration de cette efficacité de conversion est un objectif clé de la recherche et contribue à rendre les technologies photovoltaïques compétitives par rapport aux sources d'énergie conventionnelles.

FACTEURS AFFECTANT L’EFFICACITÉ DE LA CONVERSION 

Toute la lumière solaire qui atteint une cellule photovoltaïque n’est pas convertie en électricité. En fait, la majeure partie est perdue. Plusieurs facteurs dans la conception des cellules solaires jouent un rôle dans la limitation de la capacité d'une cellule à convertir la lumière solaire qu'elle reçoit. Concevoir en tenant compte de ces facteurs est la manière d’obtenir des efficacités plus élevées.

• Longueur d'onde : la lumière est composée de photons (ou paquets d'énergie) qui possèdent une large gamme de longueurs d'onde et d'énergies. La lumière solaire qui atteint la surface de la Terre a des longueurs d'onde allant de l'ultraviolet à l'infrarouge en passant par le visible. Lorsque la lumière frappe la surface d’une cellule solaire, certains photons sont réfléchis tandis que d’autres la traversent. Certains des photons absorbés voient leur énergie transformée en chaleur. Le reste possède la quantité d’énergie nécessaire pour séparer les électrons de leurs liaisons atomiques afin de produire des porteurs de charge et du courant électrique.

• Recombinaison — Une façon pour le courant électrique de circuler dans un semi-conducteur consiste à faire circuler un « porteur de charge », tel qu'un électron chargé négativement, à travers le matériau. Un autre porteur de charge de ce type est connu sous le nom de « trou », qui représente l'absence d'électron dans le matériau et agit comme un porteur de charge positif. Lorsqu’un électron rencontre un trou, il peut se recombiner et donc annuler sa contribution au courant électrique. La recombinaison directe, dans laquelle les électrons et les trous générés par la lumière se rencontrent, se recombinent et émettent un photon, inverse le processus par lequel l'électricité est générée dans une cellule solaire. C’est l’un des facteurs fondamentaux qui limitent l’efficacité. La recombinaison indirecte est un processus dans lequel les électrons ou les trous rencontrent une impureté, un défaut dans la structure cristalline ou une interface qui leur permet de se recombiner plus facilement et de libérer leur énergie sous forme de chaleur.

• Température : les cellules solaires fonctionnent généralement mieux à basse température. Des températures plus élevées provoquent un changement des propriétés du semi-conducteur, ce qui entraîne une légère augmentation du courant, mais une diminution beaucoup plus importante de la tension. Des augmentations extrêmes de température peuvent également endommager la cellule et d’autres matériaux du module, entraînant une durée de vie plus courte. Étant donné qu’une grande partie de la lumière solaire qui brille sur les cellules se transforme en chaleur, une gestion thermique appropriée améliore à la fois l’efficacité et la durée de vie.

• Réflexion — L'efficacité d'une cellule peut être augmentée en minimisant la quantité de lumière réfléchie par la surface de la cellule. Par exemple, le silicium non traité réfléchit plus de 30 % de la lumière incidente. Les revêtements antireflet et les surfaces texturées aident à réduire la réflexion. Une cellule à haut rendement apparaîtra en bleu foncé ou en noir.

DÉTERMINATION DE L’EFFICACITÉ DE LA CONVERSION  

Les chercheurs mesurent les performances d’un appareil photovoltaïque pour prédire la puissance que la cellule produira. La puissance électrique est le produit du courant et de la tension. Les relations courant-tension mesurent les caractéristiques électriques des appareils photovoltaïques. Si une certaine résistance de « charge » est connectée aux deux bornes d'une cellule ou d'un module, le courant et la tension produits s'ajusteront selon la loi d'Ohm (le courant traversant un conducteur entre deux points est directement proportionnel à la différence de potentiel entre les deux points). points). Les efficacités sont obtenues en exposant la cellule à un niveau de lumière constant et standard tout en maintenant une température de cellule constante et en mesurant le courant et la tension produits pour différentes résistances de charge.