Qu'est-ce qu'une cellule photovoltaïque ?

La crise de notre dépendance aux énergies fossiles entraîne une nécessité de multiplier les sources d’énergies nouvelles et renouvelables. En 2023, la puissance photovoltaïque installée en France a atteint environ 18,1 GW.

Le mode de fonctionnement des cellules photovoltaïques, l’unité de base d’un panneau solaire, est une réaction physico-chimique appelée effet photoélectrique. Dans cet article, nous allons voir comment un panneau solaire produit un courant électrique à partir de la lumière du soleil.

Principe de fonctionnement des cellules photovoltaïques

Définition de l'effet photovoltaïque

On appelle l’effet photovoltaïque le phénomène physique où les photons de soleil se répercutent sur un panneau solaire, ce qui crée de l’électricité. Les modules sont constitués de cellules de silicium où les électrons sont agités lorsque le rayonnement du soleil le rencontre. 

L’énergie du soleil est transférée aux électrons qui gravitent autour des atomes du matériau des panneaux. Cette tension entre les deux électrodes permet de créer du courant électrique, ce qu’on appelle l’effet photoélectrique ou effet photovoltaïque.

Structure d'une cellule photovoltaïque

Un module photovoltaïque est composé d'une couche centrale de silicium de type n, encadrée par deux fines couches de silicium amorphe, l'une dopée positivement (p) et l'autre négativement (n+).

Chaque cellule photovoltaïque est une plaque composée de silicium organique et de matériaux semi-conducteurs. Ceux-ci permettent de modifier l’état des électrons, excitant ainsi les électrons et les trous pour former des paires trou-électron. 

Le courant créé par ce champ électrique se dirige ensuite vers le câble de sortie du circuit, pour être transformé en courant continu par les onduleurs. 

Types de cellules photovoltaïques

Cellules en silicium cristallin

Il existe différents types de cellules photovoltaïques : les plus communes sont les cellules en silicium organique, qui représentent plus de 90 % du marché. Ce type de cellules a un bon rapport qualité, durabilité et prix, car ses matériaux se trouvent en grande quantité sur terre. Les cellules solaires en silicium monocristallin et polycristallin ont des performances stables et peuvent être produites à grande échelle ou posées sur de larges surfaces.

Cellules en couches minces

Les cellules solaires à couches minces sont composées de matériaux comme le cuivre, l'indium ou le gallium. Elles sont plus légères, plus flexibles et ont d'excellentes capacités de production d'énergie. Encore en développement, elles sont adaptées à une utilisation comme supports sur les surfaces des bâtiments.

Cellules photovoltaïques avancées

La recherche photovoltaïque a beaucoup progressé ces dernières années : aujourd'hui, on construit des cellules photovoltaïques de plus en plus résistantes, productives, durables et recyclables : 

• Des chercheurs ont récemment développé des cellules solaires tandem à pérovskite-silicium, atteignant des rendements de conversion énergétique records de plus de 30 % ;
• L'exploration de matériaux bidimensionnels comme le graphène est une piste pour améliorer les performances des cellules solaires. 

Rendement et efficacité des cellules photovoltaïques

Facteurs influençant le rendement

Les facteurs qui affectent l'efficacité de la production d'énergie solaire photovoltaïque sont généralement : 

• Intensité lumineuse : plus elle est élevée, plus l'efficacité de conversion est élevée. ‌Lorsque le soleil est suffisant, l'efficacité de la production d'énergie augmente ; 
• Distribution spectrale : ‌Les cellules solaires ont une efficacité d'absorption plus élevée pour la lumière infrarouge et visible, et une efficacité d'absorption plus faible pour la lumière ultraviolette ; ‌
• Angle d'incidence de la lumière solaire : Plus élevée face au soleil,‌ l'efficacité d'absorption de la cellule sera réduite sous d'autres angles, en raison de la réflexion et de la transmission de la lumière ; 
• Température : ‌L'efficacité de conversion des cellules solaires diminue à mesure que la température augmente. 

Une température élevée entraînera une augmentation de la résistance interne de la batterie et une diminution de la vitesse de migration des électrons, réduisant ainsi l'efficacité de la conversion. ‌

Optimisation du rendement pour les grandes surfaces

Pour optimiser le rendement des grandes surfaces de modules photovoltaïques, on peut utiliser différentes techniques selon la configuration et le budget du projet :  

• Utilisation de capteurs ou trackers solaires ou de cellules tandem ;
• Pose de matériaux avancés et de revêtements antireflets ; 
• Installation de systèmes de refroidissement, et d’optimiseurs de puissance ;
• Configuration optimale des panneaux ; 
• Maintenance régulière.

Le rendement des grandes surfaces de panneaux photovoltaïques dépend d’une bonne conception au départ, tout comme de l’entretien qui surviendra pendant la durée d’exploitation.  

Applications industrielles des cellules photovoltaïques

Projets de fermes solaires

Un projet d’installation à grande échelle de cellules photovoltaïques, par exemple sur un terrain de 1 à 3 hectares, a de nombreux avantages, comme la production locale d’électricité et la rentabilisation d’un terrain abandonné. Il permet également de faire un hangar de stockage, abri pour du bétail, ou une ombrière de parking. 

On appelle couramment ferme solaire un champ de modules photovoltaïques installé pour produire de l’électricité solaire. 

Rentabilité des grandes installations solaires

Les fermes solaires sont installées sur des terrains ou des surfaces de toit assez grands pour rembourser le coût d’investissement. Généralement, le propriétaire du terrain ou du toit du hangar contacte un tiers investisseur, une société qui prend en charge l’investissement. En tant que propriétaire du terrain, vous louez la terre à un développeur solaire qui peut vous verser un loyer sur les 20 ou 30 prochaines années. 

De plus, l’installation de panneaux est compatible avec d’autres activités : parking, stockage ou activités agricoles, apportant des revenus supplémentaires tout en réduisant l’étalement urbain. 

Impact environnemental des fermes solaires

Les fermes solaires ont un impact environnemental positif en réduisant les émissions de gaz à effet de serre grâce à une production d'énergie propre. Elles sont discrètes, légères et réversibles, bien que la fabrication initiale des panneaux solaires et la gestion des terres puissent avoir des implications environnementales.

Innovations et perspectives d'avenir

Nouvelles technologies en développement

Le salon du photovoltaïque de Shanghai a présenté les tendances 2024 pour la recherche en photovoltaïque, avec des technologies prometteuses comme : 

• La technologie de cellules solaires à haut rendement (PERC, TOPCon ou HJT) ; 
• Cellules solaires à couches minces utilisant du silicium amorphe, du CIGS et des matériaux organiques ;
• Systèmes photovoltaïques intelligents intégrant IoT, big data et IA pour la surveillance et la maintenance ; 
• Panneaux solaires bifaciaux capables d'absorber la lumière de l'avant et de l'arrière simultanément ; 
• Systèmes de stockage d'énergie pour une production électrique stable ;
• Matériaux photovoltaïques flexibles adaptés à des surfaces variées.

Perspectives pour les grandes installations

Les cellules photovoltaïques ont un large éventail d'applications et disposent d'un large espace de marché dans le domaine des énergies nouvelles. Les terrains à l’abandon à proximité d’usines, de zones d’activités, d’anciennes carrières, décharges ou de mines, sont des lieux privilégiés pour les grandes installations solaires. 

D’un côté, les cellules solaires sont adaptables à différentes surfaces et de l’autre les capacités d'utilisation des cellules sont infinies. Et tout cela peut se faire sans endommager l’environnement, en faisant avec l’existant ! 

FAQ

Comment fonctionne une cellule solaire photovoltaïque ?

Une cellule photovoltaïque est un appareil qui convertit le rayonnement solaire en électricité. Son principe de fonctionnement est basé sur les caractéristiques des matériaux semi-conducteurs, qui permettent une agitation entre les couches de la cellule, créant ainsi un courant électrique. 

Quels sont les principaux types de cellules photovoltaïques ?

Les cellules photovoltaïques actuelles sont principalement les cellules solaires en silicium monocristallin ou polycristallin, ainsi que les cellules solaires à couches minces. 

Quels facteurs influencent le rendement des cellules photovoltaïques ?

Le rendement des cellules photovoltaïques est influencé par l'ensoleillement, la température, les matériaux utilisés, l'angle d'incidence de la lumière, et la présence d'ombrage ou de saleté sur les panneaux.

Quelle est la durée de vie typique d'une cellule photovoltaïque ?

Selon Greenpeace, une cellule photovoltaïque a une durée de vie moyenne de 25 ans. 

Où sont fabriquées les cellules photovoltaïques ?

Les cellules photovoltaïques sont principalement fabriquées en Chine, ainsi qu'aux États-Unis, en Europe (notamment en Allemagne et en France), et dans d'autres pays comme la Corée du Sud et le Japon.