Tout savoir des cellules solaires

Vous avez probablement déjà vu des calculatrices équipées de cellules solaires, des appareils qui n’ont jamais besoin de piles et qui, dans certains cas, n’ont même pas de bouton d’arrêt. Tant qu’il y a assez de lumière, elles semblent fonctionner éternellement. Vous avez peut-être aussi vu des panneaux solaires utilisés pour des applications telles que les panneaux de signalisation d’urgence, les bornes d’appel sur la voie bande d’arrêt d’urgence des autoroutes, des bouées à l’approche des ports et même dans des parkings pour alimenter l’éclairage.

En fait, les cellules photovoltaïques étaient autrefois utilisées presque exclusivement dans l’espace, alimentant les systèmes électriques des satellites dès 1958. Aujourd’hui, ils sont de plus en plus utilisées dans notre quotidien. Cette technologie apparaît sans cesse dans de nouveaux appareils, des lunettes de soleil aux stations de recharge des véhicules électriques.

L’espoir d’une « révolution solaire » circule depuis des décennies. C’est une promesse séduisante, car par une journée ensoleillée, les rayons du soleil dégagent environ 1 000 watts d’énergie par mètre carré à la surface de la planète. Si nous pouvions recueillir toute cette énergie, nous pourrions facilement alimenter nos maisons et nos bureaux gratuitement.

Dans ce véritable guide, nous allons examiner les cellules solaires et apprendre comment elles convertissent directement l’énergie du soleil en électricité.

Retour aux origines de la cellule solaire

D’autres travaux ont permis de porter l’efficacité de la cellule à 20 %. Les cellules solaires ont été utilisées pour la première fois dans la ville rurale et isolée d’Americus, en Géorgie, comme source d’énergie pour un relais téléphonique, où elles ont été utilisées avec succès pendant de nombreuses années.

La cellule solaire parfaite, permettant de répondre entièrement aux besoins énergétiques de notre quotidien, n’a pas encore été développée mais les cellules solaires ont réussi à fournir de l’énergie aux satellites. Les dispositifs de carburant et les batteries ordinaires étaient trop lourds dans un programme où chaque gramme comptait. Les cellules solaires fournissent plus d’énergie par gramme que toutes les autres sources d’énergie conventionnelles !

Les partisans de l’énergie solaire affirment que la quantité de rayonnement solaire qui atteint la surface de la Terre chaque année pourrait facilement répondre à tous nos besoins en énergie, et ce plusieurs fois. Pourtant, les cellules solaires ont encore un long chemin à parcourir avant de réaliser le rêve de Charles Fritts d’une électricité solaire gratuite et totalement accessible.

Chronologie d’une découverte révolutionnaire

⚡️ 1839 : Le physicien français Alexandre-Edmond Becquerel (père du pionnier de la radioactivité Henri Becquerel) découvre que certains métaux sont photoélectriques : ils produisent de l’électricité lorsqu’ils sont exposés à la lumière.

⚡️ 1954 : Les chercheurs des Bell Labs, Daryl Chapin, Calvin Fuller et Gerald Pearson, fabriquent la première cellule solaire photovoltaïque en silicium, dont le rendement est d’environ 6 % (une version ultérieure atteint 11 %). Ils annoncent leur invention, initialement appelée  » batterie solaire « , le 25 avril.

⚡️ 1958 : Les satellites spatiaux Vanguard, Explorer et Spoutnik commencent à utiliser des cellules solaires.

⚡️ 1962 : 3600 unités de batteries solaires de Bell sont utilisées pour alimenter Telstar, le premier satellite de télécommunications.

⚡️ 1997 : Le gouvernement fédéral américain annonce son initiative « Million Solar Roofs », qui vise à construire un million de toits solaires d’ici 2010.

⚡️ 2002 : La NASA lance son avion solaire Pathfinder Plus.

⚡️ 2009 : Les scientifiques découvrent que les cristaux de pérovskite ont un grand potentiel en tant que matériaux photovoltaïques de troisième génération.

⚡️ 2014 : Une collaboration entre des scientifiques allemands et français produit un nouveau record d’efficacité de 46 % pour une cellule solaire à 4 jonctions.

⚡️ 2020 : En France, les cellules solaires permettent d’atteindre la parité réseau (l’électricité solaire que vous produisez vous-même sera aussi bon marché que celle que vous achetez sur le réseau).

⚡️ 2020 : Les cellules en pérovskite-silicium promettent une forte augmentation de l’efficacité solaire.

Pourquoi le silicium ?

Comme évoqué précédemment, en 1940, un chercheur des Bell Labs nommé Russell Ohl a découvert la fonctionnalité de la jonction P-N. Il a également découvert que le silicium présentait des propriétés propices à la formation de cette jonction. Le silicium un élément présent dans le sable mais aussi le deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre après l’oxygène.

Les scientifiques ont continué à travailler et à s’appuyer sur la découverte d’Ohl, et en 1954, les Bell Labs ont dévoilé la première cellule solaire moderne. Cette démonstration a inspiré un article du New York Times de 1954 qui prédisait que les cellules solaires conduiraient un jour « à la réalisation de l’un des rêves les plus chers de l’humanité : l’exploitation de l’énergie presque illimitée du soleil ».

Le seul problème est que le silicium cristallin pur est un mauvais conducteur d’électricité car aucun de ses électrons n’est libre de se déplacer, contrairement aux électrons des conducteurs plus optimaux comme le cuivre. Pour résoudre ce problème, le silicium d’une cellule solaire contient des impuretés, c’est-à-dire d’autres atomes volontairement mélangés aux atomes de silicium, ce qui modifie quelque peu le fonctionnement. Nous considérons généralement les impuretés comme quelque chose d’indésirable, mais dans ce cas, notre cellule ne fonctionnerait pas sans elles. Prenons l’exemple du silicium avec un atome de phosphore ici et là, peut-être un pour chaque million d’atomes de silicium. Le phosphore possède cinq électrons dans son enveloppe extérieure, et non quatre. Il se lie toujours aux atomes de silicium voisins, mais dans un sens, le phosphore a un électron qui n’a personne à qui tenir par la main. Il ne fait pas partie d’une liaison, mais il y a un proton positif dans le noyau du phosphore et cela le maintient en place.

Lorsqu’on ajoute de l’énergie au silicium pur, sous forme de chaleur par exemple, quelques électrons peuvent se libérer de leurs liaisons et quitter leurs atomes. Dans chaque cas, un trou est laissé derrière. Ces électrons, appelés porteurs libres, se promènent ensuite au hasard dans le réseau cristallin à la recherche d’un autre trou dans lequel ils peuvent tomber et transporter un courant électrique. Cependant, il y en a si peu dans le silicium pur qu’ils ne sont pas très utiles.

Mais notre silicium impur avec des atomes de phosphore mélangés est une autre histoire. Il faut beaucoup moins d’énergie pour faire tomber l’un de nos électrons phosphorés « supplémentaires », car ils ne sont pas liés à des atomes voisins. Par conséquent, la plupart de ces électrons se libèrent, et nous avons beaucoup plus de porteurs libres que dans le silicium pur. Le processus consistant à ajouter volontairement des impuretés est appelé dopage. Lorsqu’il est dopé au phosphore, le silicium obtenu est dit de type N (« n » pour négatif) en raison de la prédominance d’électrons libres. Le silicium dopé de type N est un bien meilleur conducteur que le silicium pur.

L’autre partie d’une cellule solaire typique est dopée avec l’élément bore, qui n’a que trois électrons dans sa coquille externe au lieu de quatre, pour devenir du silicium de type P. Au lieu d’avoir des électrons libres, le silicium de type P est plus efficace que le silicium pur. Au lieu d’avoir des électrons libres, le type P (« p » pour positif) a des ouvertures libres et porte la charge opposée (positive).

Nous allons maintenant examiner de plus près ce qui se passe lorsque ces deux substances commencent à interagir.

L’effet photovoltaïque

Jusqu’à présent, nos deux parties de silicium séparés étaient électriquement neutres ; la partie intéressante commence lorsque vous les mettez ensemble. En effet, sans champ électrique, la cellule ne fonctionnerait pas. Le champ se forme lorsque le silicium de type N et de type P entrent en contact. Soudain, les électrons libres du côté N voient toutes les ouvertures du côté P, et ils se précipitent pour les remplir. Tous les électrons libres remplissent-ils tous les trous libres ? Non. Si c’était le cas, l’ensemble du dispositif ne serait pas très utile. Cependant, juste à la jonction, ils se mélangent et forment une sorte de barrière, rendant le passage des électrons du côté N au côté P de plus en plus difficile. Finalement, l’équilibre est atteint et nous avons un champ électrique qui sépare les deux côtés.

Ce champ électrique agit comme une diode, permettant (et même poussant) les électrons à passer du côté P au côté N, mais pas l’inverse. C’est comme une colline : les électrons peuvent facilement descendre la colline (vers le côté N), mais ne peuvent pas la monter (vers le côté P).

Lorsque la lumière, sous forme de photons, frappe notre cellule solaire, son énergie brise les paires électron-trou. Chaque photon ayant suffisamment d’énergie libère normalement exactement un électron, ce qui entraîne également un trou libre. Si cela se produit assez près du champ électrique, ou si l’électron libre et le trou libre se trouvent dans sa zone d’influence, le champ enverra l’électron vers le côté N et le trou vers le côté P. Cela entraîne une perturbation supplémentaire de la neutralité électrique. Cela entraîne une perturbation supplémentaire de la neutralité électrique et, si nous fournissons un chemin de courant externe, les électrons circuleront à travers le chemin vers le côté P pour s’unir aux trous que le champ électrique y a envoyés, effectuant ainsi un travail pour nous en cours de route. Le flux d’électrons fournit le courant, et le champ électrique de la cellule provoque une tension. Avec le courant et la tension, nous avons la puissance, qui est le produit des deux.

Il reste encore quelques composants avant de pouvoir réellement utiliser notre pile. Le silicium est un matériau très brillant, ce qui peut faire rebondir les photons avant qu’ils n’aient fait leur travail.

C’est pourquoi un revêtement anti-reflet est appliqué pour réduire ces pertes. L’étape finale consiste à installer un élément qui protégera la cellule des éléments, souvent une plaque en verre. Les modules PV sont généralement fabriqués en reliant plusieurs cellules individuelles pour obtenir des niveaux de tension et de courant utiles, et en les plaçant dans un cadre solide avec des bornes positives et négatives.

Découvrez ci-dessous technologies solaires les plus couramment utilisés pour les cellules photovoltaïques.

Les différents types de cellules photovoltaïques

Les cellules solaires contiennent des matériaux aux propriétés semi-conductrices dans lesquels leurs électrons sont excités et transformés en courant électrique lorsqu’ils sont frappés par la lumière du soleil. Il existe des dizaines de variantes de cellules solaires, mais les deux types les plus courants sont ceux fabriqués en silicium cristallin (monocristallin et polycristallin) et ceux fabriqués avec ce que l’on appelle la technologie des couches minces.

1️⃣ Silicium

Le silicium est, de loin, le matériau semi-conducteur le plus 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 utilisé dans les puces d’ordinateur. Les cellules en silicium cristallin sont constituées d’atomes de silicium reliés les uns aux autres pour former un réseau cristallin. Ce réseau fournit une structure organisée qui rend la conversion de la lumière en électricité plus efficace.

Les taux de rendement élevés augmentent la quantité d’énergie libérée par la cellule, la pureté du matériau photovoltaïque est donc de la plus haute importance. Le silicium de qualité métallurgique est exposé à l’acide chlorhydrique et au cuivre, qui produisent du trichlorosilane. L’hydrogène est ensuite utilisé pour réduire ce gaz en silane, qui est à son tour chauffé pour obtenir du silicium fondu.

Les cellules solaires en silicium offrent actuellement une combinaison de haut rendement, de faible coût et de longue durée de vie. Les modules photovoltaïques sont garantis 25 ans ou plus et permettent de produire encore plus de 80 % de leur puissance initiale après cette période.

👉 Silicium monocristallin

Les cellules solaires monocristallines sont facilement reconnaissables à leur couleur. Mais ce qui les rend uniques, c’est qu’elles sont considérées comme étant fabriquées à partir d’un type de silicium très pur.

Dans le monde du silicium, plus l’alignement des molécules est pur, plus le matériau est efficace pour convertir la lumière du soleil en électricité. En fait, les cellules solaires monocristallines sont les plus efficaces de toutes. Les rendements sont de plus de 20 % sur des panneaux solaires commercialisés.

Les cellules solaires monocristallines sont fabriquées à partir de « lingots de silicium », une forme cylindrique qui permet d’optimiser les performances. En fait, les concepteurs découpent les quatre côtés des lingots cylindriques pour fabriquer les plaquettes de silicium qui composent les panneaux monocristallins. De cette façon, les panneaux composés de cellules monocristallines ont des bords arrondis plutôt que d’être carrés, comme d’autres types de cellules solaires.

En plus d’être les plus efficaces en termes de production d’énergie électrique, les cellules solaires monocristallines sont également les plus économes en espace. C’est logique puisqu’il faut moins de cellules par unité de puissance électrique. Ainsi, ce sont les installations solaires composés de cellules monocristallines qui occupent le moins d’espace par rapport à leur puissance totale.

Un autre avantage des cellules monocristallines est qu’elles sont les plus durables. De nombreux fabricants offrent des garanties allant au-delà de 25 ans sur ces types de modules photovoltaïques.

La supériorité des cellules monocristallines a un prix. En fait, les panneaux solaires fabriqués à partir de cellules monocristallines sont les plus chers. L’une des raisons pour lesquelles les cellules monocristallines sont si chères est que le processus de découpe sur quatre côtés finit par gaspiller beaucoup de silicium, parfois plus de la moitié.

👉 Silicium polycristallin

Les cellules solaires polycristallines, également connues sous le nom de cellules polysilicium et multi-silicium, ont été les premières cellules solaires introduites dans l’industrie, en 1981. Les cellules polycristallines ne sont pas soumises au même processus de découpe que celui utilisé pour les cellules monocristallines. Au lieu de cela, le silicium est fondu et versé dans un moule carré, d’où la forme carrée de polycristallin. De cette façon, elles sont beaucoup plus abordables puisque pratiquement aucun silicium n’est gaspillé au cours du processus de fabrication.

Cependant, le polycristallin est moins efficace que son cousin monocristallin. En général, les panneaux solaires photovoltaïques polycristallins ont un rendement de 14 à 18 %, là encore parce que le matériau est moins pur. C’est également pour cela que le polycristallin dispose d’une puissance surfacique (nombre de Watts pour 1 mètre carré) inférieure au monocristallin. Un autre inconvénient du polycristallin est qu’il a une tolérance à la chaleur plus faible que le monocristallin, ce qui signifie qu’il n’est pas aussi efficace à haute température.

2️⃣ Cellules solaires à couche mince

Un autre type de cellule solaire en plein essor est la cellule solaire à couche mince, dont le taux de croissance a atteint environ 60 % entre 2002 et 2007. En 2011, l’industrie des cellules solaires à couche mince représentait environ 5 % de toutes les cellules sur le marché.

Bien qu’il existe de nombreuses variantes de produits à couche mince, ils atteignent généralement des rendements de 7 à 13 %. Cependant, les technologies à couches minces font l’objet de nombreux travaux de recherche et développement et de nombreux scientifiques pensent que les rendements pourront atteindre 16 % dans les années à venir.

Les cellules solaires à couche mince se caractérisent par les différents types de matériaux semi-conducteurs (y compris le silicium dans certains cas) qui sont superposés les uns sur les autres pour créer une série de couches minces.

Le principal avantage des technologies à couches minces est leur coût. La production de masse est beaucoup plus facile que celle des modules cristallins, de sorte que le coût de la production de masse des cellules solaires à couche mince est relativement faible. Le produit lui-même est également flexible, ce qui conduit à de nombreuses nouvelles applications des technologies solaires dans des scénarios où il est avantageux de disposer d’un type de matériau flexible. Un autre avantage est que la chaleur élevée et l’ombrage ont moins d’impact négatif sur les technologies à couche mince. Pour ces raisons, le marché des couches minces continue de croître.

Un inconvénient majeur est que les technologies à couches minces nécessitent beaucoup d’espace. Cela en fait un candidat moins idéal pour les applications résidentielles où l’espace devient un problème. Par conséquent, les films minces se développent davantage dans l’espace commercial. En outre, les cellules solaires à couche mince ont une durée de vie plus courte que leurs homologues cristallines, comme en témoignent les garanties plus courtes offertes par les fabricants.

La technologie des couches minces utilise diverses substances photovoltaïques, notamment le silicium amorphe, le tellurure de cadmium, le cuivre-indium et le séléniure de gallium. Chaque type de matériau est adapté à différents types d’applications solaires.

👉 Cellules solaires au tellurure de cadmium

Le tellurure de cadmium est le seul matériau à couche mince dont le coût a été compétitif par rapport aux modèles en silicium cristallin. En fait, ces dernières années, certains modèles au cadmium les ont dépassés en termes de rentabilité. Les niveaux d’efficacité se situent dans une fourchette de 9 à 11 %.

👉 Cellules solaires au séléniure de cuivre, d’indium et de gallium

Les cellules au séléniure de cuivre, d’indium et de gallium sont les plus prometteuses en ce qui concerne leurs niveaux d’efficacité, qui se situent entre 10 et 12 %, soit un peu plus que les technologies cristallines. Cependant, ces cellules n’en sont encore qu’aux premiers stades de la recherche et n’ont pas été déployées commercialement à grande échelle. Cela dit, cette technologie est surtout utilisée dans des applications de grandes envergures tels que les plateformes logistiques, les grands parcs d’ombrières ou encore les centrales au sol.

3️⃣ Cellules solaires en silicium amorphe

Les cellules solaires à couche mince en silicium amorphe sont traditionnellement utilisées pour des applications à petite échelle, comme les calculatrices de poche, les lampes de voyage et le matériel de camping utilisé dans des endroits reculés. Un nouveau procédé appelé « empilage », qui consiste à créer plusieurs couches de cellules en silicium amorphe, a permis d’obtenir des taux d’efficacité plus élevés (jusqu’à 8 %) pour ces technologies, mais il reste assez coûteux.

4️⃣ Cellules solaires Pérovskite

Dans une étude menée par des chercheurs de Stanford, l’efficacité des cellules solaires est passée de 11,4 % à 17 % grâce à l’ajout d’une cellule en pérovskite. Il s’agit d’une augmentation de plus de 50 %. Cependant, lorsqu’ils ont ajouté la même structure à une cellule en silicium dont l’efficacité était de 17 %, les résultats ont été beaucoup moins radicaux : une augmentation de 0,9 % de l’efficacité. Les pérovskites continueront à faire l’objet de nombreuses recherches futures sur les cellules solaires.

5️⃣ Cellules solaires organiques

6️⃣ Cellules solaires à point quantique (QDSC)

Les cellules solaires à points quantiques conduisent l’électricité grâce à de minuscules particules de différents matériaux semi-conducteurs de quelques nanomètres de large, appelées points quantiques. Les points quantiques offrent une nouvelle façon de traiter les matériaux semi-conducteurs, mais il est difficile de créer une connexion électrique entre eux, ce qui pénalisent le rendement. En revanche, ils sont faciles à transformer en cellules solaires. Ils peuvent être déposés sur un substrat à l’aide d’une méthode d’enduction par centrifugation, d’un spray ou d’imprimantes à rouleau comme celles utilisées pour imprimer les journaux.

7️⃣ Cellules solaires multi jonctions

Les cellules solaires multi jonction ont démontré des rendements supérieurs à 45 %, mais elles sont coûteuses et difficiles à fabriquer, et sont donc réservées à l’exploration spatiale. L’armée utilise ces cellules solaires dans les drones, et les chercheurs explorent d’autres utilisations pour lesquelles un rendement élevé est essentiel.

8️⃣ Cellules solaires à concentration

Le photovoltaïque à concentration, également appelé CPV, concentre la lumière du soleil sur une cellule solaire à l’aide d’un miroir ou d’une lentille. En concentrant la lumière du soleil sur une petite surface, moins de matériaux PV sont nécessaires. Les matériaux photovoltaïques deviennent plus efficaces à mesure que la lumière est concentrée, de sorte que les cellules et modules CPV permettent d’obtenir les rendements les plus élevés. Cependant, les matériaux, les techniques de fabrication et la capacité à suivre le mouvement du soleil sont plus coûteux, ce qui rend difficile la démonstration de l’avantage économique nécessaire par rapport aux modules classiques en silicium.

Quelle quantité d’énergie solaire notre cellule PV absorbe-t-elle ?

Malheureusement, probablement pas beaucoup. La plupart des panneaux solaires n’atteignent que des niveaux de rendement d’environ 15 à 20 %. Les panneaux solaires les plus avancés ont réussi à franchir la barrière des 40 % de rendement solaire que l’industrie s’était fixée de longue date. Alors pourquoi est-il si difficile de tirer des bénéfices d’une journée ensoleillée ?

La lumière visible n’est qu’une partie du spectre électromagnétique. Le rayonnement électromagnétique n’est pas monochromatique : il est composé d’une gamme de longueurs d’onde différentes, et donc de niveaux d’énergie.

La lumière peut être séparée en différentes longueurs d’onde, que nous pouvons voir sous la forme d’un arc-en-ciel. Comme la lumière qui frappe notre cellule contient des photons de différentes natures, il s’avère que certains d’entre eux n’ont pas assez d’énergie pour modifier une paire électron-trou. Ils traverseront simplement la cellule comme si elle était transparente. D’autres photons ont eux trop d’énergie. Seule une certaine quantité d’énergie, mesurée en électronvolts (eV) et définie par le matériau de notre cellule (environ 1,1 eV pour le silicium cristallin), est nécessaire pour faire perdre un électron. Si un photon a plus d’énergie que la quantité requise, l’énergie supplémentaire est perdue. (Sauf si un photon possède deux fois l’énergie requise et peut créer plus d’une paire électron-trou, mais cet effet n’est pas significatif). Ces deux effets peuvent à eux seuls expliquer la perte d’environ 70 % de l’énergie de rayonnement incidente sur notre cellule.

Comment sont fabriquées les cellules solaires cristallines ?

Comme dit précédemment, il existe différents types de matériaux pour la fabrication, comme le monocristallin, le polycristallin ou la couche mince. Les deux premiers types de cellules ont un processus de fabrication assez similaire. Lisez ci-dessous les étapes de la production d’un panneau solaire cristallin.

🏭 Étape 1 : Le sable

Tout commence par la matière première, qui dans notre cas est le sable. La plupart des panneaux solaires sont fabriqués à partir de silicium, qui est le principal composant du sable que vous pouvez retrouver sur la plage, dans les roches, l’argile, l’eau, les plantes et même certains animaux. Le silicium est disponible en abondance, ce qui en fait le deuxième élément le plus présent sur Terre.

Toutefois, la transformation du sable en silicium de haute qualité a un coût élevé et c’est un processus énergivore. Le silicium de haute pureté est produit à partir du sable de quartz dans un four à arc à très haute température.

Pour purifier le silicium, on le chauffe jusqu’à son point d’ébullition (1 410° C). Les monocristaux sont créés en extrayant des cristaux cylindriques du silicium fondu. Les cellules solaires peuvent être dites monocristallines ou polycristallines. Les cellules des panneaux solaires monocristallins sont dérivées d’un seul cristal de silicium (un peu comme le café d’origine unique), tandis qu’un panneau solaire polycristallin utilise un mélange qui donne un rendement légèrement inférieur.

🏭 Étape 2 : Lingots

Le silicium est collecté, généralement sous la forme de roches solides. Des centaines de ces roches sont fondues ensemble à très haute température afin de former des lingots de la forme d’un cylindre. Pour obtenir la forme souhaitée, on utilise un four cylindrique en acier.

Dans le processus de fusion, on fait attention à ce que tous les atomes soient parfaitement alignés dans la structure et l’orientation souhaitées. Du bore est ajouté au processus, ce qui donnera au silicone une polarité électrique positive.

📌 Les cellules monocristallines sont fabriquées à partir d’un seul cristal de silicium. Le silicium monocristallin est plus efficace pour convertir l’énergie solaire en électricité, c’est pourquoi le prix des panneaux monocristallins est plus élevé.

📌 Les cellules polycristallines sont fabriquées en faisant fondre ensemble plusieurs cristaux de silicium. On les reconnaît à l’aspect de verre brisé donné par les différents cristaux de silicium. Après le refroidissement du lingot, on procède au meulage et au polissage, ce qui donne au lingot des faces plates.

🏭 Étape 3 : Les wafers (ou plaquettes en français)

Les wafers représentent l’étape suivante du processus de fabrication. Le lingot de silicium est découpé en disques fins, également appelés wafers. Une scie à fil est utilisée pour une découpe de précision. La finesse de la plaquette est similaire à celle d’une feuille de papier (environ 200 μm).

Le silicium pur étant brillant, il peut réfléchir la lumière du soleil. Pour réduire la quantité de lumière solaire perdue, un revêtement anti-reflet est appliqué sur la tranche de silicium.

🏭 Étape 4 : Les cellules solaires

Les processus suivants vont transformer une plaquette en une cellule solaire capable de convertir l’énergie solaire en électricité.

Chacun des wafers est traité et des conducteurs métalliques sont ajoutés sur chaque surface. Les conducteurs donnent à la plaquette une matrice en forme de grille sur la surface. Cela assurera la conversion de l’énergie solaire en électricité. Le revêtement facilitera l’absorption de la lumière solaire, au lieu de la réfléchir.

Dans une chambre ressemblant à un four, du phosphore est diffusé en une fine couche sur la surface des plaquettes. Cela chargera la surface d’une orientation électrique négative. La combinaison du bore et du phosphore donnera la jonction positive – négative, qui est essentielle au bon fonctionnement de la cellule photovoltaïque.

🏭 Étape 5 : De la cellule solaire au panneau solaire

Les cellules solaires sont soudées ensemble, à l’aide de connecteurs métalliques pour relier les cellules. Les panneaux solaires sont constitués de cellules solaires intégrées ensemble dans une structure matricielle.

Comment sont testées les cellules solaires ?

Pour tester les cellules solaires, vous devez les exposer au soleil et utiliser un multimètre qui mesure à la fois la tension et l’ampérage.

⚡️ Tester la tension

• Pour tester le voltage des cellules solaires, assurez-vous que le multimètre est éteint. Branchez le fil noir (-) dans le port noir et le fil rouge (+) dans le port V (tension).

• Allumez le multimètre. Réglez le cadran du multimètre sur la position volt.

• Posez votre cellule solaire sur une surface de travail propre avec le côté positif vers le haut. (C’est le côté sans les languettes, vers le haut).

• Mettez le fil noir du multimètre en contact avec le contact négatif du panneau solaire (c’est-à-dire le fil de la languette qui vient du dessous de la cellule solaire).

• Mettez le fil rouge en contact avec le contact positif de la cellule solaire (c’est-à-dire tout point de contact sur le côté positif de la cellule).

• Votre lecture de tension pour une cellule solaire de 1,75 watt devrait être d’environ 0,5 volt. Si la lecture est bien inférieure, la cellule solaire est très probablement défectueuse et vous ne devez pas l’utiliser dans votre panneau solaire. Si vous testez des cellules solaires plus grandes, vos relevés doivent évidemment être plus élevés.

⚡️ Tester le courant

• Pour tester l’ampérage des cellules solaires, assurez-vous que le multimètre est éteint. Branchez le fil noir (-) sur le port noir et le fil rouge (+) sur le port A (ampères).

• Allumez le multimètre. Réglez le cadran du multimètre sur la position ampères.

• Posez la cellule solaire sur une surface de travail propre, face positive vers le haut. (C’est le côté sans les languettes, vers le haut).

• Mettez le fil noir du multimètre en contact avec le contact négatif du panneau solaire (c’est-à-dire le fil de la languette qui vient du dessous de la cellule solaire).

• Mettez le fil rouge en contact avec le contact positif de la cellule solaire (c’est-à-dire tout point de contact sur le côté positif de la cellule).

• Votre lecture de l’ampérage pour une cellule solaire de 1,75 watt devrait être d’environ 3,5 ampères. Si la lecture est bien inférieure, cette cellule solaire est très probablement défectueuse et vous ne devez pas l’utiliser dans votre panneau solaire.

Ainsi, si vous utilisez les mêmes cellules solaires que dans nos exemples, vos relevés de volts, d’ampères et de watts devraient être juste en dessous de : 0,5 volt, 3,5 ampères et 1,75 watt.

Super, cette cellule solaire fonctionne correctement et peut être utilisée dans votre panneau solaire !

Cellule de type N ou de type P ?

La différence entre les cellules de silicium de type p et de type n réside dans leur composition chimique. Les cellules de type P sont chargées positivement grâce à une couche de bore, tandis que les cellules de silicium de type N sont construites sur des bases de phosphore, ce qui leur confère une charge négative. Les cellules de type N sont généralement plus efficaces que les cellules de type P en raison de la manière dont elles interagissent avec la lumière entrante. Contrairement aux cellules de type p, les cellules de type n se détériorent plus rapidement lorsqu’elles sont exposées à une forte luminosité, par exemple pendant les mois d’été.

Quel est le rendement des cellules solaires ?

Une règle fondamentale de la physique, appelée loi de la conservation de l’énergie, stipule que nous ne pouvons pas créer de l’énergie par magie ni la faire disparaître dans l’air. Tout ce que nous pouvons faire, c’est la convertir d’une forme à une autre. Cela signifie qu’une cellule solaire ne peut pas produire plus d’énergie électrique qu’elle n’en reçoit sous forme de lumière à chaque seconde. En pratique, comme nous le verrons bientôt, la plupart des cellules convertissent environ 10 à 20 % de l’énergie qu’elles reçoivent en électricité. Une cellule solaire typique au silicium à simple jonction a un rendement maximal théorique d’environ 30 %, connu sous le nom de limite de Shockley-Queisser. Cela s’explique essentiellement par le fait que la lumière du soleil contient un large mélange de photons de différentes longueurs d’onde et énergies et que toute cellule solaire à simple jonction sera optimisée pour capter les photons uniquement dans une certaine bande de fréquence. Certains des photons qui frappent une cellule solaire n’ont pas assez d’énergie pour faire tomber les électrons, ils sont inutilisés, tandis que d’autres ont trop d’énergie et l’excédent est également inutilisé. Les meilleures cellules de laboratoire, à la pointe de la technologie, peuvent atteindre un rendement légèrement inférieur à 50 % dans des conditions absolument parfaites, en utilisant des jonctions multiples pour capter des photons d’énergies différentes.

Dans le monde réel, les panneaux solaires peuvent atteindre un rendement d’environ 24 %, à un point de pourcentage près, et il est peu probable que cela s’améliore. Les cellules solaires à simple jonction de première génération ne vont pas approcher les 32 % d’efficacité de la limite de Shockley-Queisser, sans parler du record de 47,1 % établi en laboratoire. Toutes sortes de facteurs du monde réel vont influer sur l’efficacité nominale, notamment la conception des panneaux, la façon dont ils sont positionnés et orientés, le fait qu’ils ne soient jamais à l’ombre, la propreté des panneaux, la chaleur qu’ils subissent (l’augmentation de la température tend à réduire leur rendement) et le fait qu’ils soient ventilés (permettant à l’air de circuler en dessous) pour limiter des pertes liées à la température.

Quelle quantité d’énergie peut-on produire avec des cellules solaires ?

En théorie, une quantité énorme. Oublions les cellules solaires pour le moment et considérons simplement la lumière solaire pure. Jusqu’à 1 000 watts d’énergie solaire brute frappent chaque mètre carré de la Terre directement orienté vers le Soleil. C’est la puissance théorique de la lumière directe du soleil à midi, par une journée sans nuage, les rayons solaires étant perpendiculaires à la surface de la Terre et donnant un éclairage ou une insolation maximum, comme on l’appelle techniquement.

En pratique, après avoir corrigé l’inclinaison de la planète et l’heure de la journée, le mieux que l’on puisse obtenir est peut-être de 100 à 250 watts par mètre carré dans les latitudes nordiques typiques (même par temps sans nuage). Cela se traduit par environ 2 à 6 kWh par jour, selon que vous vous trouvez dans une région nordique comme le Canada ou l’Écosse ou dans un endroit plus favorable comme la Sun Belt américaine, le Mexique, le sud de l’Europe ou encore l’Asie du sud-est. En multipliant pour une année entière de production, on obtient entre 700 et 2500 kWh par mètre carré. Les régions plus chaudes ont manifestement un potentiel solaire beaucoup plus important : le Moyen-Orient, par exemple, reçoit chaque année environ 50 à 100 % d’énergie solaire utile de plus que l’Europe.

Malheureusement, les cellules solaires typiques n’ont qu’un rendement de 20 % environ, de sorte que nous ne pouvons capter qu’une fraction de cette énergie théorique : peut-être 4 à 10 watts par mètre carré. C’est pourquoi les centrales solaires doivent être si grandes : la quantité d’énergie que vous pouvez produire est évidemment directement liée à la surface que vous pouvez vous permettre de couvrir.

Évolution de la technologie des cellules solaires

Nous avons beaucoup parlé du fonctionnement d’une installation photovoltaïque classique, mais les questions de rentabilité ont suscité d’innombrables efforts de recherche visant à développer et à affiner de nouveaux moyens de rendre l’énergie solaire de plus en plus compétitive par rapport aux sources d’énergie traditionnelles.

🎯 Par exemple, le silicium monocristallin n’est pas le seul matériau utilisé dans les cellules photovoltaïques. Le silicium polycristallin est utilisé pour tenter de réduire les coûts de fabrication, mais les cellules qui en résultent ne sont pas aussi efficaces que le silicium monocristallin. La technologie des cellules solaires de deuxième génération se compose de ce que l’on appelle les cellules solaires à couche mince. Bien qu’elles aient également tendance à sacrifier une partie de leur efficacité, elles sont plus simples et moins chères à produire, et leur efficacité ne cesse de croître. Les cellules solaires à couche mince peuvent être fabriquées à partir de divers matériaux, notamment le silicium amorphe (qui n’a pas de structure cristalline), l’arséniure de gallium, le diséléniure de cuivre et d’indium et le tellurure de cadmium.

🎯 Une autre stratégie pour augmenter l’efficacité consiste à utiliser deux ou plusieurs couches de matériaux différents avec des bandes interdites différentes. N’oubliez pas qu’en fonction du matériaux et du traitement, des photons d’énergies différentes sont absorbés. Ainsi, en empilant un matériau spécifique sur la surface pour absorber les photons à haute énergie (tout en permettant aux photons à plus faible énergie d’être absorbés par l’autre matériau situé en dessous), on peut obtenir des rendements beaucoup plus élevés. Ces cellules, appelées cellules à jonctions multiples (multi jonction), peuvent avoir plus d’un champ électrique.

🎯 Nous pouvons également évoquer les panneaux solaires bifaciaux dont vous trouverez plus de détails dans notre article dédié.

🎯 La technologie photovoltaïque à concentration est un autre domaine de développement prometteur. Au lieu de simplement collecter et convertir en électricité une partie de la lumière du soleil, les systèmes photovoltaïques à concentration utilisent l’ajout d’équipements optiques tels que des lentilles et des miroirs pour concentrer de plus grandes quantités d’énergie solaire sur des cellules solaires très efficaces. Bien que ces systèmes soient généralement plus coûteux à fabriquer, ils présentent un certain nombre d’avantages par rapport aux panneaux solaires classiques.

Mais si le photovoltaïque est une si merveilleuse source d’énergie gratuite et inépuisable, pourquoi le monde entier ne fonctionne-t-il pas à l’énergie solaire ?

Pourquoi l’énergie issue des cellules solaires ne s’est-elle pas encore imposée ?

La réponse à cette question est un mélange de facteurs économiques, politiques et technologiques. D’un point de vue économique, dans la plupart des pays, l’électricité générée par des panneaux solaires reste plus chère que celle produite par la combustion de combustibles fossiles sales et polluants. Le monde a énormément investi dans l’infrastructure des combustibles fossiles et, bien que les puissantes compagnies pétrolières s’essayent à l’énergie solaire, elles semblent beaucoup plus intéressées par la prolongation de la durée de vie des réserves de pétrole et de gaz existantes grâce à des technologies telles que le fracking (fracturation hydraulique). Sur le plan politique, les compagnies pétrolières, gazières et charbonnières sont extrêmement puissantes et influentes et résistent au type de réglementation environnementale qui favorise les technologies renouvelables comme l’énergie solaire et éolienne. Sur le plan technologique, comme nous l’avons déjà vu, les cellules solaires sont en amélioration permanente et une grande partie des investissements solaires dans le monde est encore basée sur une technologie de première génération. Qui sait, peut-être faudra-t-il encore plusieurs décennies avant que les récentes avancées scientifiques ne rendent l’analyse de rentabilité du solaire vraiment convaincante ?

L’un des problèmes de ce type d’arguments est qu’ils ne prennent en compte que les facteurs économiques et technologiques de base, sans tenir compte des coûts environnementaux cachés, tels que les marées noires, la pollution atmosphérique, la destruction des terres par les mines de charbon ou le changement climatique, et surtout des coûts futurs, qui sont difficiles, voire impossibles à prévoir. Il est parfaitement possible que la prise de conscience de ces problèmes accélère l’abandon des combustibles fossiles, même en l’absence de nouvelles avancées technologiques. En d’autres termes, le moment pourrait venir où nous ne pourrons plus nous permettre de retarder l’adoption universelle des énergies renouvelables. En définitive, tous ces facteurs sont interdépendants. Avec un leadership politique convaincant, le monde pourrait s’engager demain dans une révolution solaire : la politique pourrait imposer des améliorations technologiques qui changeraient l’économie de l’énergie solaire.

Et l’économie seule pourrait suffire. Le rythme de la technologie, les innovations dans la fabrication et les économies d’échelle continuent de faire baisser le coût des cellules et des panneaux solaires. Regardez ce qui s’est passé au cours des dix dernières années environ :

Que retenir concernant les cellules photovoltaïques ?

Voici un commentaire sur la façon dont la restructuration du secteur de l’électricité va changer notre société et sur le rôle croissant que le photovoltaïque va jouer dans cette nouvelle frontière. L’énergie est l’élément vital de notre société moderne. Sans elle, nous ne disposerions pas des transports, de l’industrie, des communications et de nombreux autres éléments.

L’électricité nous fournit tout, du chauffage pour nos maisons à l’alimentation de nos appareils, en passant par les communications et les outils informatiques. L’énergie et l’électricité sont aussi essentielles à notre société moderne que la nourriture l’est à notre corps. De la même manière que la nourriture fait fonctionner notre corps, l’électricité permet à la société de fonctionner.

Nous payons des prix différents pour des aliments différents. Nous mangeons certains aliments parce qu’ils ont bon goût, d’autres parce que nous savons qu’ils sont nutritifs. Certains aliments sont importants pour nous en raison de leur présentation et de leur esthétique, tandis que d’autres sont simplement destinés à la subsistance. Il peut sembler raisonnable de payer 50 euros pour déguster du homard dans un cadre classieux, mais nous serions beaucoup moins disposés à payer la même somme pour une assiette de spaghettis dans un restaurant. Après tout, en tant qu’êtres humains, nous accordons des valeurs différentes à tous les types de produits et de services en fonction des tendances de marché et de la qualité perçue.

Ce concept ne s’applique plus à l’électricité en France, car il s’agit d’un secteur ouvert à la concurrence et déréglementé.

Dans le passé, notre société dépendait de sources d’énergie relativement peu nombreuses, bon marché et abondantes, comme un régime composé uniquement de hamburgers. Ces sources d’énergie telles que le pétrole et le charbon sont limitées et s’accompagnent de coûts non comptabilisés (pollution, pluies acides, réchauffement de la planète, dérèglement climatique).

Les nouvelles technologies combinées à une restructuration de l’industrie de l’énergie électrique ont le potentiel d’améliorer les choses. En tant qu’individus, nous pouvons commencer sérieusement à intégrer à notre régime alimentaire des sources d’énergie plus saines et plus bénéfiques pour la société. Tout comme nous satisfaisons notre palais avec du caviar et des hamburgers, nous devrions également diversifier notre consommation d’énergie.

Le photovoltaïque (électricité solaire) est justement la technologie avancée pour améliorer notre régime alimentaire. Elle est basée sur des semi-conducteurs en silicium, tout comme la puce intégrée de nos ordinateurs. Il n’y a pas de pièces mobiles, pas de combustion de combustible fossile pour créer du bruit, ni d’émissions de gaz d’échappement. Les cellules photovoltaïques créent simplement de l’électricité lorsque le soleil brille.

Des baisses de prix spectaculaires ont déjà été démontrées avec l’augmentation du volume. Avec une demande encore plus forte, le prix du photovoltaïque continuera à baisser. La déréglementation de l’énergie électrique et les progrès futurs rendront cette technologie plus facile à utiliser et plus accessible.

Vous pouvez choisir les aliments que vous mangez, mais vous n’avez guère eu le choix de votre environnement (à part déménager). Il est temps de commencer à mettre du photovoltaïque à votre menu. Votre fournisseur d’énergie a peut-être une offre d’électricité verte !