Cellule photovoltaïque
(cellule en silicium amorphe, cellule en
silicium monocristallin, cellule en silicium
polycristallin, cellule Tandem, cellule en
plastique)
Une cellule photovoltaïque est
un composant électronique qui,
exposé à la lumière (photons),
génère une tension électrique
(volt) (cet effet est appelé
l'effet photovoltaïque). Le
courant obtenu est un courant
continu et la tension obtenue
est de l'ordre de 0,5 V
Les cellules photovoltaïques
sont constituées de
semi-conducteurs à base de
silicium (Si), de sulfure de
cadmium (CdS) ou de tellure de
cadmium (CdTe). Elles se
présentent sous la forme de deux
fines plaques en contact étroit.
Un autre nom est
« photo-galvanique ».
Ce semi-conducteur est pris en
sandwich entre deux électrodes
métalliques et le tout est
protégé par une vit
Il peut être illustré par
l'exemple suivant, qui présente
le cas d'une cellule au silicium
:
La couche supérieure de la
cellule est composée de
silicium dopé 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 (P).
Cette couche possédera donc
en moyenne une quantité
d'électrons supérieure à une
couche de silicium pur. Il
s'agit d'un semi-conducteur
de type N.
La couche inférieure de la
cellule est composée de
silicium dopé par un élément
de valence inférieure au
silicium. Il peut s'agir de
Bore (B) ou d'un autre
élément de la colonne 13.
Cette couche possédera donc
en moyenne une quantité
d'électrons inférieure à une
couche de silicium pur. Il
s'agit d'un semi-conducteur
de type P.
Lorsqu'on met ces deux
semi-conducteurs en contact (de
manière à ce qu'il puisse y
avoir conduction), on crée une
jonction PN, qui doit permettre
le passage des électrons entre
les deux plaques. Cependant,
dans le cas d'une cellule
photovoltaïque, le gap du
semi-conducteur de type N est
calculé de manière à ce que le
courant ne puisse pas s'établir
seul : il faut qu'il y ait un
apport d'énergie, sous forme
d'un photon de lumière, pour
qu'un électron de la couche N
soit arraché et vienne se placer
dans la couche P, créant ainsi
une modification de la
répartition de la charge globale
dans l'édifice.
Deux électrodes sont placées,
l'une au niveau de la couche
supérieure et l'autre au niveau
de la couche inférieure : une
différence de potentiel
électrique et un courant
électrique sont créés.
Le silicium est actuellement le
matériau le plus utilisé pour
fabriquer les cellules
photovoltaïques disponibles à un
niveau industriel. Divers
traitements du sable permettent
de purifier le silicium qui est
alors chauffé et réduit dans un
four. Le produit obtenu est un
silicium dit métallurgique, pur
à 98% seulement. Ce silicium est
ensuite purifié chimiquement et
aboutit au silicium de qualité
électronique qui se présente
sous forme liquide. Par la
suite, ce silicium pur va être
enrichi en éléments dopant (P,
As, Sb ou B) lors de l'étape de
dopage, afin de pouvoir le
transformer en semi-conducteur
de type P ou N.
La production des cellules
photovoltaïques nécessite de
l'énergie, et on estime qu'une
cellule photovoltaïque doit
fonctionner environ 2 à 3 ans
suivant sa technologie pour
produire l'énergie qui a été
nécessaire à sa fabrication
(retour energétique du module).
Les techniques de fabrication et
les caractéristiques des
principaux types de cellule sont
décrits dans les 3 paragraphes
suivants. Il existe d'autres
types de cellule actuellement à
l'étude, mais leur utilisation
est pratiquement négligeable
actuellement.
Le silicium n'est pas
cristallisé, il est déposé sur
une feuille de verre. La cellule
est gris très foncé. C'est la
cellule des calculatrices et des
montres dites "solaires".
Avantages :
fonctionnent avec un
éclairement faible (même
par temps couvert ou à
l'intérieur d'un
bâtiment),
moins chères que les
autres
Inconvénients :
rendement faible en
plein soleil (environ
6%),
performances qui
diminuent sensiblement
avec le temps
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.
Pendant le refroidissement du
silicium, il se forme plusieurs
cristaux. Ce genre de cellule
est également bleu, mais pas
uniforme, on distingue des
motifs créés par les différents
cristaux
Avantages :
bon rendement (13%),
mais cependant moins bon
que pour le
monocristallin,
moins cher que le
monocristallin
Inconvénient
rendement faible sous un
faible eclairement
Ce sont les cellules les plus
utilisées pour la production
électrique (meilleur rapport
qualité-prix)
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 améliore le
rendement théorique par rapport
à des cellules simples
distinctes, qu'elles soient
amorphes, cristallines ou
microcristallines.
avantages :
sensibilité élevée sur
une large plage de
longueur d'onde. Bon
rendement
Les cellules photovoltaïques
sont parfois utilisées seules
(éclairage de jardin,
calculatrice, ...) ou bien
regroupées sur des panneaux
solaires photovoltaïques
Elles sont utilisés pour
produire de l'électricité pour
de nombreuses applications
(satellites, parcmètres, ...),
ainsi que pour alimenter des
habitations ou un réseau public
de distribution dans le cas
d'une centrale solaire
photovoltaïque
