Cellule photovoltaïque

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cellule photovoltaïque

Champ de cellules photovoltaïques

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 vitre.

Sommaire

1 Principe de fonctionnement
2 Technique de fabrication
3 Utilisation
4 Prix/kWh pour des panneaux en silicium fixes
5 Bilan énergétique (de la fabrication au recyclage)
6 Voir aussi
- 6.1 Liens externes

[modifier] Principe de fonctionnement

Structure d'une cellule photovoltaïque

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.

[modifier] Technique de fabrication

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.

[modifier] Cellule en silicium amorphe

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.

[modifier] Cellule en silicium monocristallin

Une cellule photovoltaïque monocristalline

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.

avantage :
- très bon rendement (17.2%).
inconvénients :
- coût élevé,
- rendement faible sous un faible éclairement.

[modifier] Cellule en silicium polycristallin

Une cellule photovoltaïque polycristalline

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).

[modifier] 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 améliore le rendement théorique par rapport à des cellules simples distinctes, qu'elles soient amorphes, cristallines ou microcristallines.

avantages :
- sensibilité elevée sur une large plage de longueur d'onde. Bon rendement
inconvénient :
- coût élevé dû à la superposition de deux cellules

[modifier] Cellule en plastique

Article détaillé : Cellule photovoltaïque en plastique.

[modifier] Cellule multi-jonction

Des cellules ayant une grande efficacité on été développées pour des applications spatiales. Les cellules multi-jonctions sont constituées de plusieurs couches minces qui utilise l'épitaxie par jet moléculaire.

Une cellule triple jonction, par exemple, est constituée du semi-conducteur: GaAs, Ge et GaInP2. Chaque type de semi-conducteur aura une zone d'absorption qui lui permet de capter l'énergie lumineuse de manière plus efficace à certaines couleurs, ou plus précisément, qui absorbera l'énergie électromagnétique des radiations sur une plus large portion du spectre. Les semi-conducteurs sont choisis de manière à ce qu'une majorité du spectre solaire soit absorbé, ce qui génère un maximum d'électricité à partir de l'énergie solaire. Les apparaeils à multijonctions GaAs sont les cellules les plus efficaces. Spectrolab a obtenu 39% d'efficacité. Le coût de ces cellules est de l'ordre de USD 40 /cm²

[modifier] Utilisation

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, parc-mètres, ...), ainsi que pour alimenter des habitations ou un réseau public de distribution dans le cas d'une centrale solaire photovoltaïque.

[modifier] Prix/kWh pour des panneaux en silicium fixes

Le tableau suivant montre l'évolutions des coûts du photovoltaïque en $-cent/kWh. Ils sont calculés sur un taux d'actualisation de 4%, un coût de maintenance de 1% et une période d'observation de 20 ans. Les modules photovoltaïques sont habituellement sous garantie pendant 25 ans, mais ils peuvent être encore parfaitement opérationnels après 30 ou 40 ans.

20 ans, 4%	2400 kWh	2200 kWh	2000 kWh	1800 kWh	1600 kWh	1400 kWh	1200 kWh	1000 kWh	800 kWh
200 $ / kW_p	0,8	0,9	1,0	1,1	1,3	1,4	1,7	2,0	2,5
600 $ / kW_p	2,5	2,7	3,0	3,3	3,8	4,3	5,0	6,0	7,5
1000 $ / kW_p	4,2	4,5	5,0	5,6	6,3	7,1	8,3	10,0	12,5
1400 $ / kW_p	5,8	6,4	7,0	7,8	8,8	10,0	11,7	14,0	17,5
1800 $ / kW_p	7,5	8,2	9,0	10,0	11,3	12,9	15,0	18,0	22,5
2200 $ / kW_p	9,2	10,0	11,0	12,2	13,8	15,7	18,3	22,0	27,5
2600 $ / kW_p	10,8	11,8	13,0	14,4	16,3	18,6	21,7	26,0	32,5
3000 $ / kW_p	12,5	13,6	15,0	16,7	18,8	21,4	25,0	30,0	37,5
3400 $ / kW_p	14,2	15,5	17,0	18,9	21,3	24,3	28,3	34,0	42,5
3800 $ / kW_p	15,8	17,3	19,0	21,1	23,8	27,1	31,7	38,0	47,5
4200 $ / kW_p	17,5	19,1	21,0	23,3	26,3	30,0	35,0	42,0	52,5
4600 $ / kW_p	19,2	20,9	23,0	25,6	28,8	32,9	38,3	46,0	57,5
5000 $ / kW_p	20,8	22,7	25,0	27,8	31,3	35,7	41,7	50,0	62,5

source: Wikipédia anglophone

Productivité électrique annuelle :

Sud de l'Allemagne: ~900-1.130 kWh/an
Italie: ~1.800 kWh/an
Espagne: ~1.800 kWh/an
Îles Canaries: ~2.000 kWh/an
Île d'Hawaii: ~2.100 kWh/an
Sahara: ~2.270 kWh/an
Australie (Great Sandy): ~2.320 kWh/an
Moyen-Orient: ~2.360 kWh/an
Amérique du Sud (Atacama): ~2.410 kWh/an

Prix des équipements :

Modules polycristalins (fabrication): ~2.000 $ / kWc
Modules polycristalins (commerce): de 3.490 $ à 5.100 $ / kWc (8 m²/kWc)
Installation: de 600 $ à 2.000 $ / kWc (en autoconstruction de 100 $ à 400 $/ kWc)
Onduleur pour injection réseau : ~400 $/kWc