Comment fonctionne une cellule photovoltaïque ?

À l'heure où la transition écologique est au cœur des enjeux mondiaux de développement, l'énergie photovoltaïque suscite beaucoup d'intérêt. L'utilisation des panneaux solaires se démocratise, mais le fonctionnement de la cellule photovoltaïque n'est pas encore une évidence pour tous.

Composant à l'origine du phénomène photoélectrique, la cellule photovoltaïque permet de convertir les rayons du soleil en électricité.

Elle s'inscrit parfaitement dans le mix énergétique français promu par le pouvoir public. Entre concept définitionnel, différents types, principe de fonctionnement et perspectives, SirEnergies vous invite à découvrir le fonctionnement d'une cellule photovoltaïque.

Qu'est-ce qu'une cellule photovoltaïque ?

La cellule photovoltaïque est une « mini-centrale électrique » faite de plusieurs matériaux dont la synergie permet de convertir l'énergie lumineuse en électricité. L'assemblage de différentes couches de matériaux semi-conducteurs à la manière d'un sandwich forme ce que nous appelons une jonction.

Dès qu'un photon traverse la jonction, il y dépose son énergie et déclenche un transfert d'électrons de la zone n (négative) à la zone p (positive) de la cellule photovoltaïque. Il ne reste plus qu'à raccorder chacune des faces du dispositif à un fil conducteur et nous obtenons du courant électrique.

Chaque matériau semi-conducteur utilisé, et plus précisément les propriétés de ce dernier, conditionne la durée de vie de la cellule photovoltaïque. Le panneau photovoltaïque candidat au poste tant convoité d'énergie du futur doit donc être constitué de matériaux durables, résistants et très écologiques. Une question se pose alors : pourquoi le silicium dans le photovoltaïque ?

Le silicium est omniprésent dans l'électronique en raison de ses propriétés de semi-conducteur. Deux principales raisons peuvent expliquer son utilisation dans la fabrication des cellules photovoltaïques. D'abord, il facilite la circulation des paires électrons trous indispensables à la production d'électricité.

Ensuite, il est possible de sensiblement modifier sa composition chimique pour en optimiser les propriétés électriques. Les chercheurs « dopent » en effet ce matériau avec des atomes d'une autre nature.

Quels sont les différents types de cellules photovoltaïques ?

Si la cellule photovoltaïque cristallise autant l'attention, c'est avant tout pour les nombreuses possibilités qu'elle offre. Nous distinguons à ce titre trois grandes familles dont les rendements sont en constante évolution !

Cellules au silicium cristallin

Les cellules au silicium représentent plus de 95 % du marché des cellules photovoltaïques, car le silicium est présent en abondance dans les sables. Le rendement moyen de ce type de composant est aussi compris entre 16,5 et 22 % selon la technologie utilisée pour sa fabrication.

Par opposition aux cellules mono cristallines, le silicium est composé de plusieurs cristaux quand il est obtenu avec un traitement à froid. Il est facile à produire. Il peut aussi être reconstitué en un grand cristal quand il est fondu. Nous obtenons alors un matériau monocristallin dont le rendement approche les 26,6 % en laboratoire.

Cellules photovoltaïques en couches minces

L'approche classique, consistant à couper le silicium en fines plaquettes d'environ 200 microns, est délaissée par une frange des chercheurs. Il est désormais possible de placer des matériaux semi-conducteurs avec une épaisseur de quelques microns sur un substrat comme le plastique ou le verre.

Il n'existe pas vraiment de limite aux champs des possibles. Le cadmium et le CIGS (cuivre/indium/gallium/sélénium) ont d'ores et déjà été testés en laboratoire et les résultats sont loin d'être décevants. Ils sont même proches des chiffres obtenus avec le silicium, soit des résultats respectifs de 22,1 et 23,3 % pour ces matériaux.

La découverte dont nous vous faisons part ne sonne pas le glas du silicium, bien au contraire. Il peut être utilisé en fines couches sous sa forme non cristallisée. Nous retrouvons d'ailleurs cette technologie dans les calculatrices, mais son rendement est plus faible.

Cellules organiques

Avec les cellules organiques, nous quittons la sphère des semi-conducteurs minéraux pour explorer une autre piste : celle des molécules. Ces composants sont fondés sur les polymères de la chimie organique, mais ils commencent tout juste à avoir des applications dans les modules photovoltaïques.

Le rendement énergétique des cellules organiques est encore faible et leur stabilité à long terme est approximative. Elles pourraient cependant avoir un coût de production très bas, ce qui est prometteur pour l'avenir.

Plusieurs techniques de production sont explorées dans le cadre des cellules photovoltaïques. L'une des principales pistes est celle des cellules à pigments photosensibles dont le fonctionnement est inspiré de la photosynthèse végétale. Leur nom ? Les cellules à colorants !

Comment une cellule photovoltaïque produit-elle du courant électrique ?

Pour comprendre le fonctionnement d'une cellule photovoltaïque, nous devons revenir sur quelques notions de physique.

Quel est le principe de fonctionnement d'un capteur photovoltaïque ?

Les cellules photovoltaïques utilisent ce que nous appelons « l'effet photoélectrique » pour produire du courant électrique en absorbant le rayonnement solaire. Chaque cellule disposée sur un panneau photovoltaïque convertit de manière continue l'énergie lumineuse des photons en électricité. Le support qui facilite ce processus en transportant les charges électriques n'est autre que le matériau semi-conducteur.

Nous devons ici faire une parenthèse pour aborder l'un des aspects mentionnés plus haut : le dopage des cristaux de silicium, notamment avec les cellules multijonctions. Chaque atome de ce minéral est composé de quatre électrons périphériques. La cellule compte quant à elle deux couches :

• La première couche est boostée avec des atomes de phosphore (cinq électrons périphériques). L'atome de phosphore possède un électron de plus que l'atome de phosphore. Le dopage est donc de type n, car il aboutit à un excès de charges négatives sur cette face.
• La seconde couche de la cellule est boostée avec des atomes de bore dont la périphérie comporte trois électrons. Il s'agit d'un dopage de type p. Le bore a un électron de moins que le silicium, le résultat est donc un excédent de la charge positive.

Le phénomène photoélectrique

L'effet photovoltaïque est le nom donné au phénomène par lequel les cellules photovoltaïques produisent l'électricité. Il met en lumière la réaction du silicium à l'énergie du soleil à travers les deux couches de la cellule.

Une fois que les deux faces sont en contact, les électrons excédentaires du matériau n transitent vers le matériau p et la magie opère. Les photons qui traversent la cellule photovoltaïque arrachent des électrons aux atomes des deux couches. Désormais libres de la couche p, ils se déplacent dans tous les sens, empruntent un circuit et retournent dans la couche n. L'électricité n'est rien d'autre que le résultat de ce déplacement.

Le phénomène photoélectrique se manifeste quand les rayons du soleil tapent sur la surface d'un panneau solaire. De cette situation naît un détachement d'électrons qui, orientés par les plaques de chaque cellule photovoltaïque, se déplacent d'un point à un autre : c'est la naissance du courant continu ! L'onduleur présent dans le panneau transforme ensuite le courant continu en courant alternatif pour alimenter vos appareils.

Le rendement d'une cellule photovoltaïque

Le rendement est simplement le rapport entre la puissance électrique obtenue et la puissance lumineuse qui touche la cellule photovoltaïque. Pour déterminer cette grandeur, chaque cellule du panneau est étalonnée à l'aide d'un simulateur solaire. Les conditions du test ? Une température ambiante de 25 °C et un ensoleillement de 1 000 W de lumière pour chaque mètre carré !

La puissance électrique produite ou la puissance crête est une fraction de la puissance solaire reçue. Elle est exprimée en pourcentage. À titre illustratif, prenons le cas d'un panneau photovoltaïque de 1 m² qui produit une puissance de 200 W. Son rendement est de 20 % et ne peut pas excéder 33 % selon la « limite de Shockley-Queisser ».

Quel futur pour l'énergie solaire ?

L'avenir de l'énergie solaire dépend des avantages et inconvénients qui lui sont propres. Nous allons donc examiner les enjeux de cette énergie verte pour déterminer s'il s'agit de l'énergie de demain.

Les avantages de l'énergie solaire

À l'échelle humaine, l'énergie solaire est inépuisable et disponible gratuitement. Ses atouts sont :

• La surabondance du silicium, matériau non toxique,
• Une durée de vie des panneaux solaires comprise de 20 à plus de 30 ans,
• La grande modularité des panneaux photovoltaïque.

La production d'électricité grâce aux installations photovoltaïques n'est par ailleurs pas polluante en phase d'exploitation. Les panneaux sont également recyclables et peuvent servir à des fins domestiques de petite échelle.

Les limites de la technologie photovoltaïque

L'énergie solaire fait face à des limites d'ordre financier. La technologie reste très coûteuse en dépit de la forte baisse enregistrée au cours des dernières années. Les panneaux solaires classiques sont par ailleurs fragiles, lourds et difficiles à installer.

L'impact énergétique et environnemental de l'énergie solaire n'est pas nul. Il faut environ entre 1 et 1,5 an à une cellule photovoltaïque pour compenser l'énergie nécessaire à sa fabrication. Enfin, l'électricité produite n'est pas immédiatement stockable. Les technologies de stockage indirect (batteries, accumulateurs cinétiques…) sont quant à elles très coûteuses.

Vers un futur prometteur

Il est difficile d'imaginer l'avenir sans l'énergie solaire. Consciente des enjeux autour de cette énergie, l'industrie photovoltaïque est à pied d'œuvre pour développer des techniques moins onéreuses et moins exigeantes en ressources. Le solaire à concentration, le dépôt sur ruban, les matériaux organiques et les panneaux à couche fine sont quelques-unes des pistes les plus prometteuses.

La cellule photovoltaïque fonctionne sur la base du phénomène photoélectrique et de la différence de polarité entre les couches du composant. Si de nombreux progrès sont attendus dans ce secteur, qu'en est-il de l'hydrogène et de la pile à combustible ?

Pour aller plus loin, n'hésitez pas à consulter notre article sur l'histoire de l'énergie solaire.