Une cellule photovoltaïque (ou cellule solaire) est un appareil électronique qui convertit l'énergie du soleil en électricité. Ce processus est appelé effet photovoltaïque. Les cellules solaires sont essentielles aux systèmes photovoltaïques qui captent l’énergie du soleil et la convertissent en électricité utile pour nos maisons et nos appareils.
Les cellules solaires sont constituées de matériaux qui absorbent la lumière et libèrent des électrons. Le matériau le plus répandu est le silicium, un élément abondant dans la croûte terrestre. Lorsque des photons (particules lumineuses) frappent la cellule solaire, les électrons contenus dans le silicium sont libérés. Ces électrons libres génèrent un courant électrique lorsqu’ils sont capturés.
Les panneaux photovoltaïques sont constitués de plusieurs groupes de cellules photoélectriques reliées entre elles. Chaque groupe de cellules solaires forme un réseau de cellules photovoltaïques connectées en circuit électrique en série pour augmenter la tension de sortie. Parallèlement, plusieurs réseaux sont également connectés en circuit parallèle pour augmenter l'intensité du courant électrique que l'appareil est capable de fournir.
Le type de courant électrique fourni par les panneaux photovoltaïques est le courant continu.
Structure et composition
Les cellules solaires les plus courantes sont constituées d'une couche de silicium cristallin d'une épaisseur d'environ 0,3 mm. Le processus de fabrication est d'un niveau sophistiqué et délicat afin d'obtenir une homogénéité du matériau.
Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé dans la création de nouvelles cellules photovoltaïques. Cette matière, qui constitue le composé chimique le plus abondant présent dans la croûte terrestre, est obtenue par réduction de la silice. La première étape consiste à créer du silicium métallurgique, pur à 98 %, à partir de pierres de quartz issues d'une veine minérale (la technique de création n'a rien à voir avec le sable).
Le silicium de qualité photovoltaïque doit être transparent jusqu'à 99,999 %. Pour obtenir cette pureté, le silicium doit être distillé en un composé chimique spécial. Ce composé spécial reconvertit le distillat en silicium.
Les zones positives et négatives de la cellule photovoltaïque
Le champ électrique est généré par la polarisation différente de deux zones de la cellule solaire. Généralement, la partie supérieure a une charge négative et le reste a une charge positive pour créer la jonction PN.
La zone P (zone positive ou anode réceptrice) est une zone dépourvue d'électrons et donc chargée positivement. Généralement, cette configuration est obtenue en ajoutant une petite partie de bore au silicium pur qui ne possède que 3 électrons de valence.
La zone N (zone négative ou cathode ou émetteur) contient un excès d'électrons. Généralement, cette zone est formée par la diffusion du phosphore qui possède 5 électrons sur la dernière orbite.
En raison de cette différence de charge électrique dans le matériau semi-conducteur, le champ électrique responsable de pousser les électrons de la couche N vers la couche P est produit.
Le rendement de conversion moyen obtenu par les cellules solaires photovoltaïques disponibles dans le commerce produites à partir de silicium monocristallin est inférieur à celui des cellules multicouches, généralement en arséniure de gallium.
Actuellement, il existe également de nouvelles technologies dans la production de panneaux solaires qui n'utilisent pas de silicium.
Fonctionnement d'une cellule photovoltaïque
Si nous connectons une cellule solaire photovoltaïque à un circuit électrique avec une résistance (consommation) et qu'en même temps elle reçoit le rayonnement solaire, une différence de potentiel électrique se produira entre ses contacts. Cette tension fera circuler des électrons dans le circuit, générant un courant électrique.
Dans ces conditions, la cellule photovoltaïque agit comme un générateur de courant. La lumière du soleil est composée de photons, qui sont des particules possédant une certaine quantité d’énergie. Lorsque ces photons frappent la cellule solaire, ils impactent les électrons de la couche N du silicium. Si un électron absorbe l'énergie d'un photon avec suffisamment d'énergie, cet électron se libérera du matériau, créant un « trou » qui sera rempli par un autre électron. Ce flux d'électrons génère un courant électrique.
Le courant produit par une cellule photovoltaïque éclairée et connectée à une charge est la différence entre sa capacité brute de production et les pertes dues à la recombinaison des électrons et des photons. L’efficacité de la cellule dépend de plusieurs facteurs, tels que la qualité du matériau et la quantité de lumière solaire frappant la cellule.
Exemples d'applications de cellules solaires
Les cellules solaires ont diverses applications, tant dans les petits appareils que dans les grands systèmes de production d’énergie. Voici quelques exemples notables :
Petits appareils
- Calculatrices : Elles utilisent des cellules solaires pour fonctionner sans avoir besoin de piles. Ces calculatrices sont courantes dans les bureaux et les écoles.
- Montres : Certaines montres utilisent des cellules solaires pour recharger leur batterie, prolongeant ainsi leur durée de vie et réduisant le besoin de changements fréquents de batterie.
- Lampes de jardin : Les lampes solaires de jardin sont équipées de cellules solaires qui captent l'énergie du soleil pendant la journée et l'utilisent pour l'éclairage la nuit, sans avoir besoin de câbles ni de consommation d'électricité du réseau.
Systèmes résidentiels
- Panneaux solaires sur le toit : De nombreuses maisons sont équipées de panneaux solaires qui convertissent la lumière du soleil en électricité pour un usage domestique. Cela peut réduire considérablement les factures d’électricité et la dépendance aux sources d’énergie non renouvelables.
Applications industrielles et commerciales
- Centrales solaires : Les grandes installations solaires utilisent de grandes quantités de panneaux solaires pour produire de l'électricité à l'échelle commerciale, fournissant ainsi une énergie propre à des milliers de foyers et d'entreprises.
- Bornes de recharge pour véhicules électriques : Certaines stations de recharge utilisent des panneaux solaires pour alimenter les véhicules électriques, favorisant ainsi la durabilité et réduisant la charge sur le réseau électrique.
Applications spécialisées :
- Satellites et espace : Les satellites et autres engins spatiaux utilisent des cellules solaires pour produire de l'énergie dans l'espace, où la lumière du soleil est abondante et constante.
- Appareils portables et d'urgence : Les cellules solaires sont utilisées dans les chargeurs portables pour téléphones portables et dans les équipements d'urgence, assurant l'alimentation électrique dans les situations critiques.