LES CELLULES PHOTOVOLTAIQUES

Extrait du site de l’association Hespul

L’"effet photovoltaïque" est un phénomène physique propre à certains matériaux appelés "semi-conducteurs". Le plus connu d’entre eux est le silicium utilisé pour les composants électroniques.
Lorsque les "grains de lumière" (les photons) heurtent une surface mince de ces matériaux, ils transfèrent leur énergie aux électrons de la matière. Ceux-ci se mettent alors en mouvement dans une direction particulière, créant ainsi un courant électrique qui est recueilli par des fils métalliques très fins. Ce courant peut être ajouté à celui provenant d’autres dispositifs semblables de façon à atteindre la puissance désirée pour un usage donné  : ainsi plusieurs cellules photovoltaïques forment un module et plusieurs modules forment un champ photovoltaïque.

L’effet photovoltaïque

Le matériau photovoltaïque peut être disposé soit en cellules minces et plates découpées dans un lingot de silicium obtenu par fusion (1000° à 1500°C) et moulage, puis connectées les unes aux autres en série pour constituer un module photovoltaïque (cellules cristallines), soit en une mince couche uniforme obtenue par projection de matériau réduit en fine poudre sur le verre (cellules amorphe).

(image extraite du document de formation au QualiPV des compagnons du solaire)

Il existe plusieurs types de cellules en silicium : (Extrait modifié de l’encyclopédie en ligne wikipedia et de l’association hespul)

Cellule en silicium monocristallin

Une cellule photovoltaïque monocristalline : son rendement est légèrement supérieur au silicium polycristallin (15%), en revanche sa fabrication est plus délicate donc plus coûteuse.
Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme.

avantage : très bon rendement, de 150 Wc/m²[5] ou plus (2007). 3000Wc = 20m² environ.
inconvénients  : coût élevé, rendement faible sous un faible éclairement, mauvais retour sur investissement énergétique (3-4 ans).

Cellule en silicium multicristallin (ou polycristallin)

Une cellule photovoltaïque à base de silicium multicristallin : il s’agit du matériau photovoltaïque le plus utilisé, à lui seul plus de 50% du marché mondial. Il offre un bon rendement (12%) pour des coûts de fabrication maîtrisés.

Pendant le refroidissement du silicium dans une lingotière, il se forme plusieurs cristaux. La cellule photovoltaïque est d'aspect bleuté, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux.

avantages  : cellule carrée permettant un meilleur foisonnement dans un module bon rendement de conversion, environ 100 Wc/m²[5], mais cependant un peu moins bon que pour le monocristallin,
lingot moins cher à produire que le monocristallin. 3000Wc = 25m² environ.
inconvénient : rendement faible sous un faible éclairement. Mauvais retour sur investissement énergétique (3-4 ans).

Ce sont les cellules les plus utilisées pour la production électrique (meilleur rapport qualité-prix). Polycristallin ou multicristallin ? On parlera ici de silicium multicristallin (réf. IEC TS 61836, vocabulaire international photovoltaïque). Le terme polycristallin est utilisé pour les couches déposées sur un substrat (petits grains).

Cellule en silicium amorphe
Silicium amorphe : son rendement est bien inférieur à ceux des silicium cristallin (6%) et son coût est inférieur.
Le silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projeté sur une feuille de verre. La cellule est gris très foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires".

avantages : fonctionne avec un faible éclairement (même par temps couvert ou à l'intérieur d'un bâtiment), moins chère que les autres technologies, retour sur investissement énergétique de 1-2 ans, donc plus écologique, moins sensible aux températures élevées que les cellules mono ou polycristallines, meilleure durée de vie.

inconvénients  : rendement faible en plein soleil, de 60Wc/m²[5], 3000Wc = 40m² environ.
produit beaucoup plus la première année pour atteindre la puissance normale au bout d'un ou deux ans..

Les matériaux en silicium cristallin (poly et mono) représentent 90% du marché mondial.
Certains fabricants tels que Sanyo proposent une cellule hybride alliant la technologie cristalline et amorphe, ce qui permet d’allier les avantages des 2 technologies (cette technique est appelée HIT-Technilogy). Mais naturellement, c’est un peu plus cher.