Cellule photovoltaïque

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère de l'électricité. C'est l'effet photovoltaïque qui est à l'origine du phénomène. Le courant obtenu dépend de la lumière incidente. L'électricité produite dépend de l'éclairement, la cellule photovoltaïque produit un courant continu.

Les cellules photovoltaïques les plus communes sont constituées de semi-conducteurs, essentiellement à base de silicium (Si) et plus rarement d'autre semi-conducteurs : sélénure de cuivre et d'indium (CuIn (Se) ₂ ou CuInGa (Se) ₂), tellurure de cadmium (CdTe), etc. Elles se présentent le plus souvent sous la forme de fines plaques d'une dizaine de centimètres de côté, prises en sandwich entre deux contacts métalliques, pour une épaisseur de l'ordre du millimètre.

Les cellules sont fréquemment réunies dans des modules solaires photovoltaïques ou panneaux solaires, selon la puissance recherchée.

Histoire

Le principe de l'effet photoélectrique (transformation directe d'énergie portée par la lumière en électricité) a été appliqué dès 1839 par Antoine Becquerel qui a noté qu'une chaîne d'éléments conducteurs d'électricité donnait naissance à un courant électrique spontané lorsqu'elle était éclairée. Plus tard, le sélénium puis le silicium (qui a finalement pour des raisons de coût supplanté le cadmium-tellure ou le cadmium-indium-sélénium aussi testés) se sont montrés aptes à la production de premières cellules photovoltaïques (posemètres pour la photographie dès 1914, puis 40 ans plus tard (en 1954) pour une production électrique ^[1]. La recherche porte aussi désormais sur des polymères et matériaux organiques susceptibles (peut-être souples) qui pourraient remplacer le silicium.

Principe de fonctionnement

Dans un semi-conducteur exposé à la lumière, un photon d'énergie suffisante arrache un électron, créant au passage un "trou". Théoriquement, l'électron trouve rapidement un trou pour se replacer, et l'énergie apportée par le photon est ainsi dissipée. Le principe d'une cellule photovoltaïque est de forcer les électrons et les trous à se diriger chacun vers une face opposée du matériau au lieu de se recombiner simplement en son sein : ainsi, il apparaîtra une différence de potentiel et par conséquent une tension entre les deux faces, comme une pile.

Pour cela, on s'arrange pour créer un champ électrique permanent au moyen d'une jonction PN, entre deux couches dopées respectivement P et N :

• La couche supérieure de la cellule se compose de silicium dopé N^[2]. Dans cette couche, il existe une quantité d'électrons libres supérieure à une couche de silicium pur, d'où l'appellation de dopage N, comme négatif (charge de l'électron). Le matériau reste électriquement neutre : c'est le réseau cristallin qui supporte globalement une charge positive.

• La couche inférieure de la cellule se compose de silicium dopé P^[3]. Cette couche possèdera par conséquent en moyenne une quantité d'électrons libres inférieure à une couche de silicium pur, les électrons sont liés au réseau cristallin qui, en conséquence, est chargé positivement. La conduction électrique est assurée par des trous, positifs (P).

Au moment de la création de la jonction P-N, les électrons libres de la région N rentrent dans la couche P et vont se recombiner avec les trous de la région P. Il existera ainsi, pendant toute la vie de la jonction, une charge positive de la région N au bord de la jonction (parce que les électrons en sont partis) et une charge négative dans la région P au bord de la jonction (parce que les trous en ont disparu)  ; la totalité forme la Zone de Charge d'Espace (ZCE) et il existe un champ électrique entre les deux, de N vers P. Ce champ électrique fait de la ZCE une diode, qui ne permet le passage du courant que dans un sens : les électrons peuvent passer de la région P vers la région N, mais pas en sens inverse ; inversement les trous ne passent que de N vers P.

En fonctionnement, lorsque un photon arrache un électron à la matrice, créant un électron libre et un trou, sous l'effet de ce champ électrique ils partent chacun à l'opposé : les électrons s'accumulent dans la région N (qui devient le pôle négatif), alors que les trous s'accumulent dans la couche dopée P (qui devient le pôle positif). Ce phénomène est plus efficace dans la ZCE, où il n'y a quasiment plus de porteurs de charges (électrons ou trous) dans la mesure où ils se sont annihilés, ou à la proximité immédiate de la ZCE : quand un photon y crée une paire électron-trou, ils se séparent et ont peu de chance de rencontrer leur opposé, tandis que si la création a lieu plus loin de la jonction, l'électron (resp. le trou) nouveau conserve une grande chance de se recombiner avant d'atteindre la zone N (resp. la zone P). Mais la ZCE est nécessairement particulièrement mince, aussi n'est-il pas utile de donner une grande épaisseur à la cellule^[4].

En somme, une cellule photovoltaïque est l'équivalent d'un générateur de courant auquel on a adjoint une diode.

Il faut ajouter des contacts électriques (qui laissent passer la lumière en face éclairée : en pratique, on utilise un contact par une grille), une couche antireflet pour assurer une bonne absorption des photons, etc.

Pour que la cellule fonctionne, et produise le maximum de courant, on ajuste le gap du semi-conducteur au niveau d'énergie des photons. On peut peut-être empiler les jonctions, de manière à exploiter au mieux le spectre d'énergie des photons, ce qui donne les cellules multi-jonctions.

Technique de fabrication

Le silicium est aujourd'hui le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques. On l'obtient par réduction à partir de silice, composé le plus abondant dans la croûte terrestre et surtout dans le sable ou le quartz. La première étape est la production de silicium dit métallurgique, pur à 98% uniquement, obtenu à partir de morceaux de quartz provenant de galets ou d'un gisement filonien (la technique de production industrielle ne permet pas de partir du sable). Le silicium de qualité photovoltaïque doit être purifié jusqu'à plus de 99, 999%, ce qui s'obtient en transformant le silicium en un composé chimique qui sera distillé puis retransformé en silicium.

Le silicium est produit sous forme de barres appelées «lingots» de section ronde ou carrée. Ces lingots sont ensuite sciés en fines plaques mises au carré (si indispensable) de 200 micromètres d'épaisseur qui sont nommées «wafers». Après un traitement pour enrichir en éléments dopants (P, As, Sb ou B) et ainsi obtenir du silicium semi-conducteur de type P ou N, les wafers sont «métallisés» : des rubans de métal sont incrustés en surface et reliés à des contacts électriques. Une fois métallisés les wafers sont devenus des cellules photovoltaïques.

La production des cellules photovoltaïques nécessite de l'énergie, et on estime qu'un module photovoltaïque doit fonctionner à peu près deux à trois ans^[5] suivant sa technique de fabrication pour produire l'énergie qui a été indispensable à sa fabrication (retour énergétique du module).

Les techniques de fabrication et les caractéristiques des principaux types de cellules sont décrits dans les trois paragraphes suivants. Il existe d'autres types de cellules aujourd'hui à l'étude, mais leur utilisation est quasiment négligeable.

Les matériaux et procédés de fabrication font l'objet de programmes de recherches ambitieux pour diminuer les coûts de possession et de recyclage des cellules photovoltaïques. Les techniques couches minces sur substrats banalisés semblent recueillir les suffrages de l'industrie naissante. En 2006 et 2007, la croissance de la production mondiale de panneaux solaires a été freinée par manque de silicium, et les prix des cellules n'ont pas baissé tout autant qu'espéré. L'industrie cherche à faire baisser la quantité de silicium utilisé. Les cellules monocristallines sont passées de 300 microns d'épaisseur à 200 et on pense désormais atteindre rapidement les 180 puis 150 microns, diminuant la quantité de silicium et d'énergie indispensable, mais également les prix.

Cellule en silicium amorphe

Le silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projeté sur une feuille de verre. La cellule est gris particulièrement foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires".

• Avantages :
  • fonctionne avec un éclairement faible ou diffus (même par temps couvert, y compris sous éclairage artificiel de 20 à 3000 lux),
  • un peu moins chère que les autres techniques,
  • intégration sur supports souples ou rigides.
• Inconvénients :
  • rendement faible en plein soleil, de 5% à 7%^[6],
  • obligation de couvrir des surfaces plus importantes que lors de l'utilisation de silicium cristallin (ratio Wc/m² plus faible, à peu près 60 Wc/m²) ^[7],
  • performances qui diminuent avec le temps dans les premiers temps d'exposition à la lumière naturelle (3-6 mois), pour se stabiliser ensuite (-10 à 20% selon la structure de la jonction).

Cellule en silicium monocristallin

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 généralement d'un bleu uniforme.

• avantages :
  • bon rendement, de 14% à 16% ^[6],
  • bon ratio Wc/m² (∼150 Wc/m²) ^[7] ce qui permet un gain de place si indispensable,
  • nombre de fabricants élevé.
• inconvénients :
  • coût élevé,

Cellule en silicium multicristallin

Au cours du 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 (à coins arrondis dans le cas du Si monocristallin) donnant la possibilité un meilleur foisonnement dans un module,
  • bon rendement de conversion, à peu près 100 Wc/m (Voir plus) ^2[7], mais cependant légèrement moins bon que pour le monocristallin,
  • lingot moins cher à produire que le monocristallin.
• Inconvénient :
  • rendement faible sous un faible éclairement.

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 Tandem

Empilement monolithique de deux cellules simples. En combinant deux cellules (couche mince de silicium amorphe sur silicium cristallin par exemple) absorbant dans des domaines spectraux se chevauchant, on perfectionne le rendement théorique comparé à des cellules simples différentes, qu'elles soient amorphes, cristallines ou microcristallines.

• Avantage :
  • sensibilité élevée sur une large plage de longueur d'onde. Excellent rendement.
• Inconvénient :
  • coût élevé dû à la superposition de deux cellules.

Cellule photovoltaïque organique

Cellule multi-jonction

Des cellules ayant une grande efficacité ont été développées pour des applications spatiales. Les cellules multi-jonctions sont constituées de plusieurs couches minces qui utilisent l'épitaxie par jet moléculaire.

Une cellule triple jonction, par exemple, est constituée des semi-conducteurs GaAs, Ge et GaInP2. Chaque type de semi-conducteur est caractérisé par une longueur d'onde maximale au-delà de laquelle il est incapable de convertir le photon en énergie électrique (cf. bande interdite). D'un autre côté, en deçà de cette longueur d'onde, le surplus d'énergie véhiculé par le photon est perdu. D'où l'interêt de choisir des matériaux avec des longueurs aussi proches les unes des autres que envisageable (en multipliant leur nombre d'autant) de façon à ce qu'une majorité du spectre solaire soit absorbé, ce qui génère un maximum d'électricité à partir du flux solaire. Le coût de ces cellules est de l'ordre de USD 40 /cm².

Semi conducteur cis

La technique consiste à déposer un matériau semi-conducteur à base de cuivre, de gallium, d'indium et sélénium sur un support.

Une inquiétude toutefois : les ressources en matières premières. Ces nouvelles techniques utilisent des métaux rares comme l'indium dont la production mondiale est de 25 tonnes par an et le prix d'avril 2007 de 1000 dollars le kg ; le tellure dont la production mondiale est de 250 tonnes par an ; le gallium d'une production de 55 tonnes par an ; le germanium d'une production de 90 tonnes l'an. Quoique les quantités de ces matières premières nécessaires à la fabrication des cellules solaires soient illimitétésimales, un développement massif mondial des panneaux solaires photovoltaïques en couches minces sans silicium ne manquerait pas de se heurter à cette disponibilité physique limitée.

Utilisation

Les cellules photovoltaïques sont quelquefois utilisées seules (éclairage de jardin, calculatrice, ... ) ou bien regroupées sur des panneaux solaires photovoltaïques.

Elles sont particulièrement utilisées à la place des piles (dont l'énergie est de loin la plus chère pour l'utilisateur ; même pour le fabricant, un compartiment pile et la pile peut-être apportée peuvent coûter plus cher qu'une cellule), pourvu que le système ne réclame pas trop d'énergie comparé à la surface qu'on peut accorder au générateur photovoltaïque, et qu'il y ait assez de lumière pendant l'usage : les cellules ont envahi calculette, montres, gadgets, etc.

Il est envisageable d'augmenter leur gamme d'utilisation avec un stockage (condensateur ou batterie). Quand elles sont utilisées avec un système de stockage de l'énergie, il est indispensable de placer une diode en série pour éviter la décharge du dispositif au cours de la nuit.

Elles sont utilisées pour produire de l'électricité pour de nombreuses applications (satellites, parcmètres, ... ), mais aussi pour alimenter des habitations ou un réseau public de distribution dans le cas d'une centrale solaire photovoltaïque.

Prospective, recherche et développement

La technique n'a pas atteint la maturité et de nombreuses pistes de recherches sont explorées ; il s'agit en premier lieu de faire baisser le prix de revient de l'électricité produite, mais également d'obtenir des progrès en matière de rusticité, de souplesse d'usage, de facilité d'intégration dans des objets, de durée de vie, etc. Des accroissements du rendement de leurs cellules sont périodiquement annoncés par l'ensemble des sociétés de fabrication, par exemple :

• une alternative au sciage a été développée par «Evergreen Solar». il est remplacée par le dépôt de silicium toujours liquide sur un film où il se cristallise directement à l'épaisseur du «wafer»
• Des cellules CGIS seront produites industriellement et en continu par «NanoSolar» via une technique d'imprimerie. Coût espéré : 1 /W en 2010.
• la taille des wafers croit régulièrement, ce qui diminue le nombre de manipulations
• On cherche à mieux valoriser l'ensemble des longueurs d'onde du spectre solaire (dont l'infra-rouge, ce qui ouvrirait des perspectives particulièrement intéressantes : transformation directe de la lumière d'une flamme en électricité, rafraichissement).
• Des «concentrateurs» (déjà utilisés sur les satellites) sont testés sur terre. Via des miroirs et des lentilles incorporées dans le panneau, ils focalisent le rayonnement sur l'élément essentiel et coûteux qu'est la cellule photovoltaïque et ses semi-conducteurs. Fin 2007, Sharp a annoncé disposer d'un dispositif concentrant jusqu'à 1100 fois le rayonnement solaire (contre 700 fois pour le précédent record en 2005) ; début 2008, Sunrgi a atteint 1600 fois. La concentration sert à diminuer la proportion du panneau consacré à la production de l'électricité, et par conséquent leur coût. De plus ces nouveaux matériaux (les III-V surtout) supportent particulièrement bien l'échauffement important dû à la concentration du flux solaire^[8].
• Des siliciums amorphe et cristallin pourraient peut-être être associé par «hétérojonction» dans une même cellule photovoltaïque à plus de 20 % de rendement (Projet de 2 ans, annoncé début 2008, par le Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et des nanomatériaux du CEA-Liten avec le coréen JUSUNG (équipementier pour fabricants de semi-conducteurs), avec l'INES (Savoie) où le CEA-Liten a concentré ses activités concernant l'énergie solaire.
• D'autres semi-conducteurs (sélénium; association Cuivre-Indium-Sélénium (CIS) en couche mince) sont étudiés. En France l'institut de recherche et développement sur l'énergie photovoltaïque (IRDEP ^[9]) s'intéresse au CIS au rendement modeste de 12%, mais à faible coût de fabrication. En 2009, selon ENF, il existe 25 entreprises produisant ce type de panneau solaire, Würth Solar est le principal vendeur avec 15 MWc vendus en 2007^[10]. Showa Shell doit mettre en service en septembre 2010 une centrale photovoltaïque de 1MW en modules «CIS», sur son terminal pétrolier de la Préfecture de Niigata^[11].
• L'usage de matériaux composés de boîtes quantiques permettra d'atteindre 65% dans le futur (avec un maximum théorique de 87%) ^{[12][13][14][15][16][17]}. Les systèmes à multijonctions GaAs sont les cellules les plus efficaces. Spectrolab a obtenu 40.7% d'efficacité (déc. 2006), un consortium (dirigé par des chercheurs de l'université du Delaware) a obtenu un rendement de 42.8%^[18] (septembre. 2007).

• Des cellules polymères photovoltaïques peuvent être faits avec des composés organiques (matières plastiques), pour réaliser des panneaux souples et légers, des tuiles, voiles ou tissus photovoltaïques, espère-t-on à faible coût de fabrication. Pour le moment leurs rendements sont faibles (5% maximum), ainsi peut-être que leur durée de vie, et de nombreux problèmes techniques restent à résoudre.
  Début 2008, le groupe japonais Fujikura a annoncé ^[19] avoir testé (1000 heures à 85 °C et une hygrométrie de 85%) une cellule photovoltaïque organique de type Grätzel non seulement plus résistante, mais au rendement perfectionné de 50 à 70 % grâce à une surface dépolie qui diffuse aléatoirement la lumière réfléchie au sein de la cellule où elle libère à nouveau des charges électriques en activant d'autres pigments photosensibles.
• Des panneaux solaires transformant les infrarouges en électricité ont été mis au point par le Boston College de Chestnut Hill (Massachusetts). Une production électrique devient théoriquement envisageable à partir de toute source de chaleur, même de nuit^[20]. Pour le moment, seule une partie de la lumière visible, essentiellement les rayonnements verts et les bleus, est transformée en électricité et le rayonnement infrarouge n'est utilisé que par les panneaux thermiques pour chauffer de l'eau.
• Des cellules transparentes ? Des modélisations de l'Institut allemand Fraunhofer de mécanique des matériaux (IWM ; projet "METCO"^[21] laissent croire à une envisageable production industrielle de cellules transparentes bi-couches. Les semi-conducteurs de type P (couche à lacunes électroniques) transparent semblent les plus complexes à produire (le phosphore pourrait être un dopant-P de l'oxyde de zinc, mais l'azote serait plus prometteur^[22]).
• Enfin, la pénurie de silicium ou de produits dopant (Le prix de l'indium a décuplé de 2002 à 2009, suite à sa raréfaction) accroît toujours l'incitation à l'innovation sur un marché en forte croissance qui s'annonce colossal, en particulier si on parvient à baisser le prix de revient de l'électricité produite ainsi qu'à le rapprocher de celui des combustibles fossiles.

Feuille de route du photovoltaïque

Voici quelques objectifs que l'industrie japonaise s'est donnés :

Thème	Cible 2010	Cible 2020	Cible 2030
Coût de production	100 yen/watt	75 yen/watt	<50 yen/watt
Durée de vie	-	+30 ans	-
Consommation de matière première	-	-	1 g/watt
Coût du convertisseur	-	-	15 000 yen/kW
Coût de la batterie	-	10 yen/Wh	-
Efficacité cellule cristalline	20 %	25 %	25 %
Efficacité cellule couche mince	15 %	18 %	20 %
Efficacité cellule CIS	19 %	25 %	25 %
Efficacité cellule III-V	40 %	45 %	50 %
Efficacité cellule "Dye Sensitized"	10 %	15 %	18 %

Source Nedo (Japon) , 134.62 yen = 1 €, août 2009

Notes et références

Voir aussi

• Cellule Grätzel (cellule à pigment photosensible)
• Cellule photoélectrochimique
• cellule CIGS (cuivre, indium, gallium, sélénium)
• CuInSe₂ (CIS)
• Énergie solaire photovoltaïque
• Maximum power point tracker
• Module solaire photovoltaïque
• Photovoltaïque raccordé au réseau
• Panneau solaire
• Cellule photoélectrique
• Photorésistance
• Semi-conducteur
• Tenerrdis
• ENF Ltd (base de données concernant les professionnels du photovoltaique)
• Sphère de Dyson

Liens externes

• Le photovoltaïque expliqué par Hespul, l'association qui a installé le premier "toit solaire" en France
• Forum de discussion sur le Photovoltaïque pour les particuliers s'intéressant aux installations photovoltaïques.
• Modèle d'installation photovoltaïque par l'administration canadienne RETScreen
• Bilan énergétique d'une installation photovoltaïque dans plusieurs villes d'Europe
• (en) Thin Film Photovoltaics Characterization
• [2] La production photovoltaique et la norme de référence

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