Bases des cellules solaires photovoltaïques

Lorsque la lumière éclaire une cellule photovoltaïque (PV) , également appelée cellule solaire , cette lumière peut être réfléchie, absorbée ou traverser la cellule. La cellule photovoltaïque est composée d'un matériau semi-conducteur ; le « semi » signifie qu’il peut mieux conduire l’électricité qu’un isolant mais pas aussi bien qu’un bon conducteur comme un métal. Il existe plusieurs matériaux semi-conducteurs différents utilisés dans les cellules photovoltaïques.

Lorsque le semi-conducteur est exposé à la lumière, il absorbe l’énergie lumineuse et la transfère à des particules chargées négativement dans le matériau appelées électrons. Cette énergie supplémentaire permet aux électrons de circuler à travers le matériau sous forme de courant électrique. Ce courant est extrait via des contacts métalliques conducteurs – les lignes en forme de grille sur les cellules solaires – et peut ensuite être utilisé pour alimenter votre maison et le reste du réseau électrique.

L'efficacité d'une cellule photovoltaïque est simplement la quantité d'énergie électrique sortant de la cellule par rapport à l'énergie de la lumière qui l'éclaire, ce qui indique l'efficacité de la cellule à convertir l'énergie d'une forme à une autre. La quantité d'électricité produite à partir des cellules photovoltaïques dépend des caractéristiques (telles que l'intensité et les longueurs d'onde) de la lumière disponible et des multiples attributs de performance de la cellule.

Une propriété importante des semi-conducteurs photovoltaïques est la bande interdite, qui indique les longueurs d'onde de lumière que le matériau peut absorber et convertir en énergie électrique. Si la bande interdite du semi-conducteur correspond aux longueurs d'onde de la lumière qui brille sur la cellule photovoltaïque, cette cellule peut alors utiliser efficacement toute l'énergie disponible.

Apprenez-en davantage ci-dessous sur les matériaux semi-conducteurs les plus couramment utilisés pour les cellules photovoltaïques.

Une image de trois cellules solaires fabriquées à partir de différents matériaux de silicium : silicium en couche mince, monocristallin et polycristallin.

SILICIUM 

Le silicium est de loin le matériau semi-conducteur le plus couramment utilisé dans les cellules solaires, représentant environ 95 % des modules vendus aujourd'hui. C’est également le deuxième matériau le plus abondant sur Terre (après l’oxygène) et le semi-conducteur le plus couramment utilisé dans les puces informatiques. Les cellules de silicium cristallin sont constituées d’atomes de silicium reliés les uns aux autres pour former un réseau cristallin. Ce treillis fournit une structure organisée qui rend la conversion de la lumière en électricité plus efficace.

Les cellules solaires en silicium offrent actuellement une combinaison de haute efficacité, de faible coût et de longue durée de vie. Les modules devraient durer 25 ans ou plus, produisant toujours plus de 80 % de leur puissance d'origine après cette période.

PHOTOVOLTAÏQUE À COUCHE MINCE 

Une cellule solaire à couche mince est fabriquée en déposant une ou plusieurs fines couches de matériau photovoltaïque sur un matériau de support tel que du verre, du plastique ou du métal. Il existe aujourd’hui deux principaux types de semi-conducteurs photovoltaïques à couches minces sur le marché : le tellurure de cadmium (CdTe) et le diséléniure de cuivre, d’indium et de gallium (CIGS). Les deux matériaux peuvent être déposés directement sur l’avant ou l’arrière de la surface du module.

Le CdTe est le deuxième matériau photovoltaïque le plus courant après le silicium, et les cellules au CdTe peuvent être fabriquées à l'aide de procédés de fabrication à faible coût. Bien que cela en fasse une alternative rentable, leur efficacité n’est toujours pas aussi élevée que celle du silicium. Les cellules CIGS ont des propriétés optimales pour un matériau photovoltaïque et des rendements élevés en laboratoire, mais la complexité impliquée dans la combinaison de quatre éléments rend la transition du laboratoire à la fabrication plus difficile. Le CdTe et le CIGS nécessitent tous deux plus de protection que le silicium pour permettre un fonctionnement durable en extérieur.

PHOTOVOLTAÏQUE PÉROVSKITE

Les cellules solaires à pérovskite sont un type de cellule à couche mince et doivent leur nom à leur structure cristalline caractéristique. Les cellules pérovskites sont constituées de couches de matériaux imprimés, enduits ou déposés sous vide sur une couche de support sous-jacente, appelée substrat. Ils sont généralement faciles à assembler et peuvent atteindre des efficacités similaires à celles du silicium cristallin. En laboratoire, l'efficacité des cellules solaires à pérovskite s'est améliorée plus rapidement que celle de tout autre matériau photovoltaïque, passant de 3 % en 2009 à plus de 25 % en 2020. Pour être commercialement viables, les cellules photovoltaïques à pérovskite doivent devenir suffisamment stables pour survivre 20 ans à l'extérieur, c'est pourquoi les chercheurs travaillent à les rendre plus durables et à développer des techniques de fabrication à grande échelle et à faible coût.