Tout ce que vous devez savoir sur les cellules photovoltaïques

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique permettant de convertir efficacement l’énergie lumineuse en électricité. Cela est possible par le biais de l’effet photovoltaïque.

L’effet photovoltaïque : produire de l’électricité à partir de la lumière du soleil

L’effet photovoltaïque est un phénomène physique permettant, à certains matériaux, de produire de l’électricité à partir de la lumière du soleil. Pour permettre un tel phénomène, le matériau utilisé pour constituer la cellule photovoltaïque doit être semi-conducteur.

Un matériau semi-conducteur est un matériau qui laisse passer le courant dans certains cas et dans un certain sens. Ce dernier absorbe facilement la lumière et permet de générer un champ électrique (champ vectoriel créé par des particules électriquement chargées) ainsi qu’une tension électrique (circulation du champ électrique le long d’un circuit).

Il existe, dans le secteur photovoltaïque, de nombreux matériaux semi-conducteurs. Cependant, c’est le silicium qui compose la majorité des cellules photovoltaïques.

Pour permettre aux électrons de se déplacer, et ainsi de créer une tension électrique, il est nécessaire de doper le silicium pour obtenir :

• d’un côté un surplus d’électrons ;
• et de l’autre, un déficit d’électrons.

Ce système s’apparente au fonctionnement d’une pile électrique :

1. dans la couche supérieure, certains atomes de silicium sont remplacés par des atomes de phosphore, autrement dit couche dopée en phosphore (couche N), un atome qui possède plus d’électrons en périphérie que le silicium ;
2. la couche inférieure est dopée en atome de bore, un atome qui possède moins d’électrons en périphérie que le silicium (couche P).

Afin d’équilibrer les charges des deux couches, les électrons de la zone N (couche négative) vont migrer vers la zone P (zone positive), créant un manque d’électrons dans la zone N (excès de charges positives) et un excès d’électrons dans la zone P (excès de charges négatives).

Ces mouvements d’électrons vont créer un champ électrique (dû à un excès de charges positives en N et négatives en P) au niveau de la jonction entre les deux couches : la jonction NP. Les électrons vont naturellement se diriger de N vers P : l'électron est repoussé par l’excès de charges négatives en zone P, empêchant le passage d’électrons de P vers N.

Au contact du soleil, les photons présentant assez d’énergie pour arriver à la jonction NP arrachent des électrons au silicium. Ces derniers se dirigent vers la couche supérieure (couche N), créant un “trou d’électrons” au sein de la couche inférieure. Pour rappel, les électrons ne se déplacent pas de P vers N avec la présence du champ électrique.

Alors, pour assurer ce déplacement, les couches N et P sont connectées via un circuit extérieur à cette cellule, qui permet de former un courant électrique continu : les électrons, cherchant à se combiner avec les trous (déplacement des électrons de P vers N), sont obligés de passer par ce circuit.

Les cellules sont ensuite assemblées en module et regroupées en panneaux solaires.

Le saviez-vous ?

Le courant issu d’une cellule photovoltaïque est un courant électrique continu. Ce type de courant est incompatible avec le réseau électrique, et, de ce fait, avec les appareils électriques d’un logement.

Afin d’utiliser l’énergie solaire issue des modules, il est indispensable de convertir le courant électrique continu en courant électrique alternatif.

C’est l’onduleur solaire qui permet la transformation de ce courant.

La fabrication d’une cellule photovoltaïque repose sur plusieurs étapes :

1. le silicium est extrait de la silice et purifié chimiquement dans l’intention d’éliminer les impuretés ;
2. le silicium liquide est ensuite fondu en lingot ;
3. les lingots de silicium sont découpés en plaquettes (wafer) ;
4. les wafers photovoltaïques sont testés et contrôlés afin d’optimiser l’équilibre entre la conductivité et l'absorption de la lumière ;
5. les wafers sont insérés dans un four à diffusion pour créer la jonction PN, indispensable pour convertir l’énergie lumineuse en énergie électrique ;
6. les wafers sont traités (métallisation par sérigraphie, revêtement antireflet, etc.) ;
7. des contacts métalliques sont placés à la surface des wafers pour devenir des cellules photovoltaïques ;
8. les cellules sont ensuite laminées (pressées à chaud contre une plaque de verre) ;
9. les cellules sont encapsulées et placées, en série ou en parallèle, dans un cadre en aluminium pour former un panneau solaire photovoltaïque.

Il existe plusieurs types de cellules photovoltaïques :

• les cellules au silicium cristallin ;
• les cellules à base de couches minces ;
• les cellules au stade expérimental.

Technologie au silicium cristallin

Les cellules sont constituées de fines plaques de silicium, deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre après l’oxygène. Parmi cette “première génération” de cellules, on distingue :

1. les cellules monocristallines : constituée d’un seul cristal de silicium, la cellule monocristalline a un aspect homogène noir, plus discret et esthétique. Du côté rendement, c’est actuellement la cellule la plus efficace du marché avec un rendement compris entre 18 et 24 % ;
2. les cellules polycristallines : conçue à partir de plusieurs cristaux de silicium fondus, la cellule polycristalline se distingue visuellement par sa teinte bleutée. De moins en moins utilisée par les fabricants de panneaux solaires, la cellule polycristalline affiche un rendement compris entre 14 et 18 %.

Les panneaux solaires à base de cellules photovoltaïques monocristallines et polycristallines représentent 90 % du marché mondial.

Comment choisir la puissance d’une installation de panneaux solaires photovoltaïques ?

L’installation de panneaux solaires photovoltaïques demande une certaine préparation.

En effet, plusieurs critères entrent en compte dans le calcul de la puissance photovoltaïque idéale : une maison de 100 m², 150 m² ou 200 m² ne pourra pas accueillir le même nombre de panneaux solaires par exemple.

Ainsi, pour vous assurer de vous tourner vers un projet rentable, rapprochez-vous d’un installateur spécialisé. Celui-ci pourra vous conseiller et vous donner un avis sur la faisabilité de votre projet.

Autrement, vous pouvez également tester la rentabilité de votre projet solaire grâce à un simulateur !

Technologie couche mince

La cellule à base de couches minces, ou deuxième génération, repose sur un principe très simple : les cellules sont construites en déposant de fines couches de matériaux semi-conducteurs (principalement du silicium amorphe).

La technologie à base de couches minces représente environ 10 % du marché photovoltaïque mondial. Leurs principaux avantages sont :

• leur rendement compris entre 9 et 17 % ;
• leur sensibilité moins importante face aux augmentations de températures à l’origine des baisses de rendements ;
• leur épaisseur qui permet aux cellules d’être flexibles et plus légères.

Les cellules photovoltaïques au stade expérimental

De nombreux autres types de cellules sont encore au stade expérimental, comme :

• les cellules organiques, constituées de molécules organiques, permettent de créer des panneaux photovoltaïques flexibles, souples et plus faciles à installer, le tout, pour un montant largement inférieur aux technologies proposées actuellement ;
• les cellules à concentration, une technologie se basant sur des lentilles optiques capables de produire, chaque jour, plus de 50 % d’énergie supplémentaire qu’une cellule au silicium (rendement compris entre 20 et 30 %) ;
• les cellules pérovskites, fabriquées à partir de pérovskite, un minéral composé d’oxyde de calcium et de titane à l’aspect noir ou brun-rouge. Dans le secteur solaire, le pérovskite permet d’augmenter les rendements d’une cellule photovoltaïque (rendements de l’ordre de 22 % en laboratoire).

Le rendement des cellules photovoltaïques peut être influencé par plusieurs facteurs tels que l’intensité lumineuse, la température, ou encore, leur orientation et leur inclinaison face au soleil.

Rendement d’une cellule solaire : définition

Le rendement d’une cellule photovoltaïque exprime le rapport entre l’énergie électrique générée par l’effet photovoltaïque et l’énergie par rayonnement solaire reçue.

En d’autres termes, il s’agit de sa capacité à restituer l’énergie solaire en électricité.

La durée de vie des panneaux solaires photovoltaïques approche les 30 ans, avec une réduction progressive de leur rendement au fil du temps. Pour rassurer les futurs producteurs d’électricité solaire, la grande majorité des fabricants de panneaux solaires garantissent la performance minimale de leurs modules photovoltaïques pour une durée de 25 ans. C’est ce que l’on appelle la garantie de performance linéaire.

Cette garantie informe les producteurs d’électricité solaire sur le taux de dégradation moyen maximum annuel. En moyenne, ce taux est de 0,5 % par an, ce qui signifie qu’au bout de 25 ans de mise en service, votre installation photovoltaïque continuera de produire, au minimum, 80 % de la puissance initiale installée.

Cette garantie est purement indicative et ne joue aucun rôle sur la durée de vie de vos panneaux solaires. Enfin, il est important de noter qu’un projet solaire peut être rentabilisé entre 8 et 15 ans : une fois les panneaux amortis, vous profiterez d’une source d’énergie 100 % gratuite !

Rendement d’un panneau solaire : définition

Le rendement d’un panneau solaire exprime le rapport entre la puissance générée (en Wc) et la surface du panneau (en m²). Les meilleurs panneaux solaires du marché sont les panneaux solaires monocristallins, présentant un rendement compris entre 18 et 24 %.

Cela signifie qu’en France métropolitaine, 1 kWc peut produire entre 800 et 1 400 kWh/an !

Quels sont les avantages d’une cellule photovoltaïque ?

Les cellules photovoltaïques offrent de nombreux avantages. Tout d’abord, elles permettent de produire une énergie renouvelable et respectueuse de l’environnement.

De plus, l’installation de panneaux solaires photovoltaïques permet de réduire significativement vos factures d’électricité en profitant d’une énergie “gratuite”, tout en offrant une forme d’indépendance énergétique.

Enfin, les panneaux solaires photovoltaïques représentent un investissement rentable, amorti en une dizaine d'années. De plus, il est possible d’accélérer la rentabilité de votre projet en testant votre éligibilité aux aides panneaux solaires.

Rapprochez-vous d’un installateur RGE (Reconnu Garant de l’Environnement) pour en savoir plus sur la rentabilité de votre projet solaire !

Qui fabrique les cellules photovoltaïques ?

Les cellules photovoltaïques résultent de nombreuses étapes de fabrication. Le plus souvent, les étapes de production sont réalisées dans différentes parties du globe. Le principal producteur de panneaux solaires est aujourd’hui la Chine :

• l’extraction du silicium est principalement réalisée en Chine (plus gros producteur de silicium). Du côté européen, la Norvège se situe en 3e position des principaux producteurs de silicium mondiaux ;
• au niveau de la production des cellules photovoltaïques, ces dernières peuvent être fabriquées en Europe ou en Asie ;
• quant à l’assemblage des panneaux, celui-ci peut être réalisé en Europe, même en France pour certains fabricants, mais reste principalement effectué en Asie

Les panneaux solaires photovoltaïques sont-ils recyclables ?

Les modules à base de silicium cristallin (monocristallin ou polycristallin) sont recyclables à près de 95 % ! Ces derniers sont composés à :

• 75 à 80 % de verre ;
• de plastique ;
• d’aluminium ;
• de silicium ;
• de cuivre ou d’argent.

Seule la connectique, environ 5 % du panneau solaire, ne peut pas être recyclée. C’est l’éco-organisme Soren qui est chargé de la collecte et du recyclage des modules photovoltaïques.