L’effet photovoltaïque
Pour comprendre le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque, il est nécessaire de connaître l’effet du même nom qui en est à l’origine. L’effet photovoltaïque est une propriété de certains matériaux à convertir la
lumière en électricité. Il s’agit d’un phénomène physique durant lequel un matériau émet des électrons sous l’effet de la lumière. Tous les
semi-conducteurs présentent cet effet, avec plus ou moins d’efficacité. Chaque photon (particule de lumière) pénétrant le matériau perd son énergie en créant des paires électrons-trous. Chaque paire induit une charge négative (les électrons) et une charge positive (les trous). Ainsi séparés, les électrons peuvent être collectés pour créer un courant, comme dans une pile. L’effet photovoltaïque est mis en œuvre dans des cellules dont
l’assemblage forme
les modules photovoltaïques. Ces derniers sont reliés à des onduleurs (des stabilisateurs électriques), pour convertir le courant électrique continu en courant alternatif.
Un peu d'histoire
- En découvrant l’effet photovoltaïque en 1839, le physicien français Edmond Becquerel identifie une nouvelle façon de convertir la lumière en électricité et ouvre alors la voie de l’exploitation de la puissance du Soleil.
- La première utilisation de cellules photovoltaïques ne date pas d’hier ! En 1883, des chercheurs américains mettent au point les premières cellules et montent le tout premier toit solaire, sur un immeuble de New-York. Pas encore opérationnelles à l’époque, il faudra attendre 1954 pour que les ancêtres des cellules photovoltaïques au silicium voient le jour, au cœur d’un laboratoire de la compagnie Bell, laissant entrevoir une possibilité d’une fourniture en électricité prometteuse.
Qu’est-ce qu’une cellule photovoltaïque ?
La cellule photovoltaïque est un assemblage de matériaux qui permet de
convertir efficacement l’énergie lumineuse en électricité. Comment ces cellules photovoltaïques sont-elles constituées ? Avec quels matériaux ? Comment produisent-elles de l’électricité ?
Une jonction pour faire passer le courant
L’assemblage de plusieurs couches de matériaux semi-conducteurs de compositions différentes, forme une
jonction. La jonction ressemble à un « sandwich ». Lorsqu’un photon traverse la jonction, celui-ci dépose son énergie et provoque un transfert d’électrons de la zone négative, dite n, vers la zone positive, dite p. En raccordant chacune des deux faces du sandwich à un fil conducteur, on obtient un courant électrique.
Quels matériaux composent les cellules photovoltaïques ?
Le silicium
Elément dominant dans l’électronique pour ses propriétés de semi-conducteur, le silicium est largement utilisé pour ses propriétés photovoltaïques car :
- il favorise la circulation des paires électrons-trous en son sein ;
- sa composition chimique peut être légèrement modifiée pour en optimiser les propriétés électriques :
il suffit de le « doper » en y introduisant quelques atomes d’une autre nature.
La structure pérovskite
Les cellules photovoltaïques à pérovskite font l’objet d’un intérêt croissant car elles peuvent être combinées aux cellules silicium existantes dans des architectures dites « tandem », pour atteindre des rendements plus élevés.
L'objectif final est de parvenir à
30 % d'efficacité produite par les cellules photovoltaïques et
25 ans de durée de vie une fois intégrées en module. Si les cellules aux structures pérovskites hybrides apparaissent prometteuses pour le photovoltaïque, elles souffrent encore d'instabilité : malgré leur rendement important, elles sont encore très sensibles à la chaleur, aux UV ou encore à l’humidité.
Zoom sur... La pérovskite
La pérovskite désigne un
groupe d’espèces minérales qui partagent une même structure cristalline. Comme le silicium, ce type de structure possède un haut potentiel en tant que semi-conducteur :
il absorbe aussi la lumière, mais dans une autre bande de longueur d’onde que le silicium. Par ailleurs, cette appellation désigne également un ensemble d’espèces minérales partageant une même structure cristalline appelée structure pérovskite.
Les différents types de cellules photovoltaïques
Il existe plusieurs conceptions de cellules photovoltaïques caractérisées par leur type de jonction.
Cellule photovoltaïque à homojonction
La cellule photovoltaïque à homojonction est constituée de deux couches de silicium cristallin. Dans chacune des deux couches, on a ajouté quelques atomes différents du silicium : ainsi, la première zone (n) est dopée en phosphore, plus riche en électrons que le silicium. La seconde zone (p) est dopée en bore, un élément moins riche en électrons que le silicium. Les deux couches sont assemblées et la différence de densité électronique génère un champ électrique entre les deux : cet ensemble forme la jonction.
Schéma de principe de l'homojonction p-n en silicium © M. Colonna d'Istria/CEA
Si l’homojonction est la jonction la plus utilisée dans les panneaux solaires aujourd’hui, les chercheurs en développent d’autres types pour atteindre de meilleurs rendements photoélectriques, rendre les cellules plus fiables, en augmenter la durée de vie et réduire les coûts.
Cellule photovoltaïque à hétérojonction
La cellule photovoltaïque à hétérojonction est constituée de deux semi-conducteurs différents : le silicium cristallin et le silicium amorphe. A la différence du silicium cristallin dans lequel les atomes sont liés de façon régulière et structurée,
le silicium amorphe a pour caractéristique un rangement aléatoire de ses atomes. La plus répandue est constituée de silicium cristallin de type n, pris en sandwich entre deux fines couches de silicium amorphe de quelques nanomètres. D’un côté, il y a la couche n+ (dopée en atomes riches en électrons), et de l’autre, une couche de type p. Les deux couches de silicium amorphe dopé créent un fort champ électrique qui favorise l’attraction des électrons vers les zones de collecte de l’énergie.
Pourquoi utiliser du silicium amorphe ?
Le silicium amorphe est utilisé car il s’agit d’un matériau très répandu dans l’industrie, bien connu, et donc facile à mettre en œuvre. Les tensions de circuit qu’il génère sont plus élevées que celles du silicium cristallin. Enfin, les techniques de dépôt sur de grandes surface sont éprouvées avec les écrans plats et les technologies solaires en couche mince : le rendement de la cellule à hétérojonction bénéficie pleinement de cet effet, c’est ce qui le rend moins sensible à la température de fonctionnement qu’une cellule à homojonction.
Schéma de principe de l'hétérojonction silicium © M. Colonna d'Istria/CEA
Cellule photovoltaïque organique
Des cellules souples peuvent être réalisées à base de « sandwichs » de semi-conducteurs en polymère organique (des macromolécules naturelles). Elles fonctionnent sur le même principe que les précédentes : un photon traversant une jonction entre zones de densités électriques différentes, entraîne un courant électrique.
Souples et légères,
les cellules organiques peuvent être déposées sur des surfaces souples et déformables (comme les plastiques, les tissus) afin de répondre à certaines applications spécifiques, mais leur rendement est plus faible que celui des homojonctions et hétérojonctions.
Grandes caractéristiques des différents types de cellules photovoltaïques
Type de cellule
|
Homojonction
|
hétérojonction |
Organique |
| Support | Rigide | Rigide jusqu’à une certaine taille (90µm), peut être courbé pour certains types d’applications à partir de 120µm (véhicule, bateau, etc) | Souple |
Rendement indicatif moyen
| 21-22 %
| 23-25 %
| 10 %
|
Durée de vie
| longue : >20 ans | longue : >20 ans | courte : quelques années |
| Coût de fabrication des cellules + module | moyen (10-25 c$/W) | moyen (10-25 c$/W) | Faible (<10 c$/W) |
| Usage | Réseau électrique, mobilité (industriel et particulier) : installation en champ, toitures particulières et tertiaire, BIPV (intégré aux bâtiments), VIPV (intégré aux véhicules), spatial | Réseau électrique (industriel et particulier) : installation en champ, toitures particulières et tertiaire, BIPV (intégré aux bâtiments), VIPV (intégré aux véhicules), spatial | Production d’électricité pour des produits temporaires ou jetables tels que les vêtements, sac à dos, etc. |
Banc de test outdoor pour la caractérisation du vieillissement des cellules et modules photovoltaïques organiques en conditions extérieures. © D.Guillaudin/CEA (Malverpix No Comment Studio)
Zoom sur... le module photovoltaïque
Si les technologies propres aux modules photovoltaïques jusque-là ne faisaient pas l’objet d’une forte dynamique d’innovation, la situation évolue, en particulier pour maximiser la puissance des modules par unité de surface et mieux utiliser les surfaces disponibles. Car le module participe activement à la durée de vie et la performance des cellules.
Par ailleurs, la très forte croissance des implantations photovoltaïques préfigure un problème de recyclage majeur auquel l’écoconception des modules apporte une réponse en amont.
L’hétérojonction : une technologie de rupture prometteuse
La technologie à hétérojonction fait l’objet de recherches et de développements technologiques très importants. Le CEA s’y intéresse depuis 2005 et a largement développé cette technologie de cellules à haut rendement, en rupture par rapport au standard le plus répandu dans l’industrie mondiale.
Record hétérojonction
Le CEA-Liten est l'un des pionniers de la fabrication de cellules silicium à hétérojonction, l'une des technologies les plus intéressantes pour un couplage avec les pérovskites. Ses équipes ont notamment réussi à produire, en août 2020, des cellules hétérojonction démontrant un rendement de 25 % sur des équipements industriels.
Les bénéfices de l’hétérojonction
Plus économique
Avec un design de composants plus simple et un nombre réduit d’étapes nécessaires à leur fabrication et à leur intégration, les cellules à hétérojonction s’avèrent prometteuses pour atteindre l’objectif de production à coût réduit sur l’ensemble de la durée de vie de la cellule, tout en gardant un impact sur le prix de l’électricité le plus faible possible.
Plus écologique
L’impact environnemental des cellules à hétérojonction est aussi moindre grâce à son procédé de fabrication à plus faible température : la cellule photovoltaïque à hétérojonction nécessite d’être chauffée à des températures bien plus basses que les cellules à autres jonctions.
A l’inverse d’une cellule à homojonction qui n’utilise que sa face avant (celle côté Soleil) pour créer de l’électricité, la cellule à hétérojonction peut mobiliser ses deux faces. Non seulement la lumière absorbée par la face avant produit de l’énergie électrique, mais la face arrière de celle-ci capte une partie des rayons du Soleil réfléchis par le sol. En fonction de son pouvoir réfléchissant, un gain d’environ 10 % à 20 % de puissance est généré par la cellule. Les technologies bifaciales homojonction existent aussi, mais elles doivent sacrifier une partie de leur puissance en face avant pour la contribution de la face arrière.
Plus performante
La cellule photovoltaïque à homojonction atteint un rendement actuel de 19 % pour du polycristallin, et 22% pour du monocristallin. Pour un module commercialisé composé de cellules photovoltaïques à hétérojonction, le rendement commence à atteindre plus de 24 % en production et approcher 25 % en pré-série.
Zoom sur... Le PV everywhere
Le PV everywhere recouvre l’utilisation du photovoltaïque dans d’autres domaines que la production associée au réseau électrique, en développant de nouvelles architectures adaptables aux surfaces déjà exploitées. Ces applications requièrent de nouvelles fonctionnalités comme la flexibilité, la légèreté ou la bifacialité qui sont autant d'opportunités économiques pour le déploiement du PV.
En effet, le photovoltaïque permet une production d’énergie sans connexion au réseau.
Ceci ouvre la porte aux applications dites « nomades », au premier rang desquelles figurent les applications aéronautiques et spatiales, ainsi que des solutions de mobilité et de transport maritime ou terrestre : le photovoltaïque fait partie des technologies clés pour augmenter l'autonomie des véhicules.
Utiliser moins de câbles, réduire les perturbations liées à son installation et baisser les coûts sont autant de promesses et d’objectifs pour le PV everywhere. Dans un futur proche, toutes ces applications intégreront progressivement les innovations de la transition énergétique qui répondent aux nouveaux usages.
Tri automatique des cellules hétérojonction en fonction de leur performance. © L.Godart/CEA