Types de photovoltaïque

Nous savons maintenant que le fonctionnement de base d’une cellule photovoltaïque à semi-conducteur implique deux étapes. La première est l’absorption de la lumière qui entraîne la génération de paires électron-trou au sein du matériau photovoltaïque, tandis que la seconde est la séparation de ces paires électron-trou, donnant lieu à un courant électrique qui circule dans un circuit externe.

De plus, la barrière de potentiel inhérente de la jonction PN sépare ces paires électron-trou créées par la lumière, produisant un potentiel externe d’environ 0,50 volts (un demi-volt) à partir de la cellule photovoltaïque unique.

Les cellules photovoltaïques (PV) nécessitent uniquement la lumière du jour et non la lumière solaire directe pour générer de l’électricité, ce qui signifie qu’elles peuvent également produire de l’électricité même par temps nuageux. Cependant, les types standards de cellules photovoltaïques ont une très faible efficacité de conversion. Plus l’efficacité de conversion des cellules photovoltaïques est élevée, plus elles génèrent d’électricité pour une surface donnée d’exposition à la lumière du soleil, et pour les cellules PV en silicium standard, cela représente environ 8 %, atteignant 25 % pour les types de cellules photovoltaïques plus coûteux.

Cette efficacité de conversion peut être augmentée à environ 40 % grâce à l’utilisation de miroirs et de lentilles de concentration. En effet, la plupart de la lumière solaire qui atteint la surface des cellules la traverse sans effet significatif sur la sortie électrique.

De plus, l’excès d’énergie des photons qui n’est pas converti en électricité est gaspillé sous forme de chaleur. L’effet de chauffage de la cellule en silicium entraîne une efficacité maximale très faible d’une cellule solaire PV en silicium sous un soleil chaud.

Ainsi, l’un des principaux facteurs de sélection d’un matériau semi-conducteur donné à utiliser comme matériau photovoltaïque est son efficacité de conversion maximale et sa puissance de sortie. La puissance de sortie moyenne d’une cellule photovoltaïque en silicium standard dépend également de l’application, de l’irradiance solaire sur la cellule photovoltaïque et de la taille de la cellule réelle.

Types de Silicium Utilisés dans les Photovoltaïques

Il existe différents types de cellules photovoltaïques disponibles à l’achat, mais elles sont principalement fabriquées à partir de silicium (Si), le deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre (après l’oxygène), et qui est le même matériau dont est constitué le sable.

Le silicium à lui seul n’est pas très pur et doit donc être raffiné pour produire une pureté allant jusqu’à 99,99 % avant de pouvoir être utilisé comme matériau semi-conducteur dans de nombreux types de cellules photovoltaïques, transistors ou circuits intégrés numériques. L’utilisation du silicium dans la fabrication de cellules photovoltaïques produit la cellule PV uniformément bleue stéréotypée que nous voyons sur les toits et les murs des bâtiments.

Les deux principaux types de matériaux de cellules photovoltaïques utilisés sont le silicium cristallin et les dépôts en film mince, qui diffèrent les uns des autres en termes d’efficacité d’absorption de la lumière, d’efficacité de conversion de l’énergie, de technologie de fabrication et de coût de production. Les cellules PV en silicium cristallin sont le type de cellules photovoltaïques le plus courant aujourd’hui et sont également l’une des premières appareils PV réussis.

Les trois types généraux de cellules photovoltaïques fabriquées à partir de silicium sont :

• Silicium Monocristallin – également connu sous le nom de silicium monocristallin
• Silicium Polycristallin – également connu sous le nom de silicium multicristallin
• Silicium en Film Mince

Silicium Cristallin (c-Si)

C’est la technologie la plus courante utilisée pour produire les types de cellules photovoltaïques, représentant environ 90 % du marché aujourd’hui. Les types photovoltaïques cristallins sont fabriqués à partir de silicium qui est d’abord fondu, puis cristallisé en lingots ou en coulées de silicium pur. De fines tranches de silicium appelées wafers sont découpées à partir d’un cristal unique de silicium (monocristallin) ou d’un bloc de cristaux de silicium (polycristallin) pour fabriquer des cellules individuelles. L’efficacité de conversion pour ces types de cellules photovoltaïques varie entre 10 % et 20 %.

• Silicium Monocristallin est un type de matériau de cellule photovoltaïque fabriqué à partir d’une structure en silicium monocristallin qui est uniforme en forme car toute la structure est cultivée à partir du même cristal. Le silicium de haute pureté est fondu dans un creuset.

  Une graine de silicium monocristallin est plongée dans ce silicium fondu et est lentement retirée du liquide, produisant un lingot monocristallin.

  Le lingot est ensuite découpé en wafers ou tranches très fines qui sont ensuite polies, dopées, recouvertes, interconnectées et assemblées en modules et enfin en un réseau photovoltaïque. Ces types de cellules photovoltaïques sont également largement utilisés dans la construction de panneaux photovoltaïques.

  Comparés aux cellules non cristallines, la structure moléculaire uniforme du wafer en silicium le rend idéal pour transférer les électrons libres à travers le matériau, ce qui entraîne une efficacité de conversion énergétique élevée. L’efficacité de conversion d’une cellule monocristalline varie entre 15 et 20 %.

  Non seulement elles sont efficaces en énergie, mais les cellules photovoltaïques monocristallines sont également très fiables pour les applications d’énergie en extérieur en raison de leur épaisseur de wafer. Cependant, pour fabriquer une cellule PV efficace, le silicium doit être « dopé » avec d’autres éléments pour créer les couches conductrices de type N et P requises.

• Silicium Polycristallin, également connu comme silicium multicristallin, est coulé pour produire un lingot de silicium. La structure moléculaire du silicium se compose de plusieurs groupes plus petits ou grains de cristaux, qui introduisent des barrières entre eux. Les cellules PV polycristallines sont moins efficaces énergétiquement que les précédentes cellules PV en silicium monocristallin, car ces frontières restreignent le flux des électrons en incitant les électrons négatifs à se recombiner avec les trous positifs, réduisant ainsi la production électrique de la cellule.

  En conséquence, une cellule PV polycristalline n’a qu’une efficacité de conversion énergétique variant entre 10 et 14 %. Cependant, ces types de cellules photovoltaïques sont beaucoup moins coûteux à produire que l’équivalent en silicium monocristallin en raison de leurs coûts de fabrication plus bas.

Cellule Solaire en Film Mince

Les Cellules Solaires en Film Mince sont un autre type de cellule photovoltaïque qui ont été à l’origine développées pour des applications spatiales avec un meilleur rapport puissance-taille et poids par rapport aux précédents dispositifs en silicium cristallin. Comme leur nom l’indique, les photovoltaïques en film mince sont produites en imprimant ou en pulvérisant une très fine couche de matériau semi-conducteur en silicium photovoltaïque sur un substrat de verre, métal ou plastique.

En appliquant ces matériaux en couches minces, l’épaisseur totale de chaque cellule photovoltaïque est considérablement plus faible qu’une cellule cristalline équivalente, d’où le nom de « film mince ». Comme les matériaux PV utilisés dans ces types de cellules photovoltaïques sont pulvérisés directement sur un substrat en verre ou en métal, le processus de fabrication est donc plus rapide et moins cher, rendant la technologie PV en film mince plus viable pour une utilisation dans un système solaire domestique, car leur temps de retour sur investissement est plus court.

Cependant, bien que les matériaux en film mince aient une meilleure absorption de la lumière que les matériaux cristallins équivalents, les cellules PV en film mince souffrent d’une mauvaise efficacité de conversion des cellules en raison de leur structure non monocristalline, nécessitant des cellules de plus grande taille. Les matériaux semi-conducteurs utilisés pour les Types de Cellules Photovoltaïques en Film Mince incluent : Tellurure de Cadmium, Silicium Amorphe et séléniure de cuivre indium ou CIS.

• Tellurure de Cadmium (CdTe) est un matériau semi-conducteur polycristallin fabriqué à partir de cadmium et de tellurium. Le film mince de tellurure de cadmium a un niveau d’absorption de la lumière élevé, donc la quantité de CdTe requise peut être assez minimale avec moins de 1,0 microns de matériau semi-conducteur nécessaires pour absorber efficacement la lumière du soleil pour que le dispositif solaire fonctionne.

  Bien que le processus de pulvérisation ou d’impression du film mince soit relativement facile, ce qui rend la fabrication de ces types de cellules photovoltaïques bon marché, le principal matériau, le cadmium, est un métal lourd toxique qui peut polluer l’environnement si la cellule est endommagée ou cassée. Un autre inconvénient de ces types de cellules photovoltaïques est que l’efficacité de conversion d’une cellule PV au tellurure de cadmium peut être faible, à moins de 10 %.

• Silicium Amorphe (a-Si) est une forme non cristalline de silicium largement utilisée dans les calculatrices, l’électronique grand public et les produits solaires de jardin nécessitant un faible courant à basse tension. Parmi les différents types de cellules photovoltaïques disponibles, le silicium amorphe a la meilleure absorption de la lumière, plus de 40 fois plus élevée que celle du silicium cristallin. L’avantage de cela est qu’une couche beaucoup plus fine de matériau en silicium amorphe est nécessaire pour fabriquer une cellule PV en film mince, réduisant ainsi les coûts de fabrication et de prix.

  Les cellules en silicium amorphe présentent divers avantages et inconvénients. Du côté positif, le silicium amorphe peut être déposé sur une variété de substrats rigides et flexibles à faibles coûts, tels que des polymères, des métaux fins et des plastiques, ainsi que du verre teinté pour l’intégration aux bâtiments. Cependant, du côté négatif, deux des principaux inconvénients du silicium amorphe (a-Si) sont sa très faible efficacité de conversion, variant de 7 à 9 % lorsqu’il est neuf, se dégradant en quelques mois d’exposition au soleil à moins de 5 %.

• Séléniure de cuivre indium (CIS) est un autre type de matériau semi-conducteur polycristallin composé de Copper, Indium et Selenium (CuInSe2). Ces types de cellules photovoltaïques en film mince au séléniure de cuivre indium peuvent produire des efficacités de conversion de près de 10 %, presque le double de celle du silicium amorphe sans subir les mêmes problèmes de dégradation en extérieur grâce à leur film plus épais. De plus, les cellules CIS sont l’un des composés semi-conducteurs les plus absorbants, absorbant jusqu’à 90 % du spectre solaire.

  Bien que les cellules au séléniure de cuivre indium, les cellules CIS soient efficaces, la complexité de la formulation du composé semi-conducteur les rend difficiles à fabriquer et coûteuses. De plus, l’indium est un matériau relativement coûteux en raison de sa disponibilité limitée, les problèmes de sécurité liés à la fabrication étant préoccupants en raison du séléniure d’hydrogène, qui est un gaz extrêmement toxique.

• Séléniure de cuivre indium gallium (CIGS) est un autre type de cellule photovoltaïque. C’est essentiellement un matériau de film mince polycristallin de type P basé sur le précédent matériau semi-conducteur séléniure de cuivre indium (CIS). L’ajout de petites quantités du composé gallium (Ga) produit une cellule photovoltaïque avec une meilleure efficacité de conversion, d’environ 12 %, à partir de la même quantité de lumière solaire avec une tension à circuit ouvert d’environ 0,7 volts.

  Cela est dû au fait que le gallium, qui est un liquide semblable à du mercure à température ambiante, augmente l’écart d’absorption de lumière de la cellule, ce qui s’accorde plus étroitement au spectre solaire, améliorant ainsi sa conductivité et permettant aux électrons de se déplacer librement à travers la cellule jusqu’aux électrodes.

Autres Types de Cellules Photovoltaïques

En plus des types couramment utilisés de cellules photovoltaïques mentionnés ci-dessus, qui représentent environ 95 % du marché commercial, d’autres types de cellules photovoltaïques actuellement en cours de développement incluent :

• Cellules PV Multijonction – Ce sont des types de cellules photovoltaïques conçues pour maximiser l’efficacité globale de conversion de la cellule en créant un design multi-couches dans lequel deux ou plusieurs jonctions PV sont superposées les unes sur les autres. La cellule est constituée de divers matériaux semi-conducteurs sous forme de film mince pour chaque couche individuelle.

  L’avantage est que chaque couche extrait l’énergie de chaque photon d’une partie particulière du spectre lumineux qui bombarde la cellule. Cette superposition des matériaux PV augmente l’efficacité globale et réduit la dégradation de l’efficacité qui se produit avec les cellules en silicium amorphe standard.

• Cellules PV Sensibles aux Colorants – Ce type de technologie est considéré comme la 3ème génération de cellules solaires. Au lieu d’utiliser la technologie de jonction PN à état solide pour convertir l’énergie photonique en énergie électrique, un électrolyte, liquide, gel ou solide est utilisé pour produire une cellule PV photoélectrochimique. Ces types de cellules photovoltaïques sont fabriquées en utilisant des molécules microscopiques de colorants photosensibles sur un film nanocristallin ou polymère.

  L’énergie lumineuse photonique étant absorbée par le colorant libère des électrons dans la bande de conduction, provoquant un flux d’électricité à travers le semi-conducteur. L’avantage d’une cellule photovoltaïque nano-cristalline photoélectrochimique sensible aux colorants est que le colorant peut être sérigraphié sur n’importe quelle surface, produisant des efficacités de conversion d’environ 10 %.

• Cellules Photovoltaïques 3D – Ce type de cellule photovoltaïque utilise une structure tridimensionnelle unique pour absorber l’énergie lumineuse photonique de toutes les directions, et non seulement par le haut comme dans les cellules PV plates conventionnelles. La cellule utilise un réseau 3D de structures moléculaires miniature qui capturent le plus de lumière solaire possible, augmentant son efficacité et sa production de tension tout en réduisant sa taille, son poids et sa complexité.

Résumé des Types Photovoltaïques

Toutes les cellules photovoltaïques (PV) génèrent de l’électricité lorsqu’elles sont exposées à la lumière du soleil en convertissant les photons en électrons sans créer de problèmes environnementaux tels que la pollution et les déchets. Ces cellules photovoltaïques (PV) sont fabriquées à partir de matériaux spéciaux appelés semi-conducteurs, comme le silicium (Si), qui est actuellement le plus couramment utilisé.

Le silicium cristallin a été le cheval de bataille des cellules PV pendant les deux dernières décennies et en fait, plus de 95 % des cellules solaires produites dans le monde sont composées de silicium cristallin. Toutefois, des développements récents dans les technologies des cellules solaires ont produit des cellules en film mince et d’autres types de cellules photovoltaïques avec des efficacités de conversion plus élevées.

Il existe de nombreux « types photovoltaïques » différents disponibles sur le marché, mais une cellule solaire photovoltaïque individuelle produit moins de quelques watts de puissance, ce qui peut être suffisant pour alimenter une calculatrice ou une montre-bracelet. Cependant, pour générer une énergie solaire significative que nous pouvons utiliser comme source d’énergie alternative, les cellules solaires individuelles doivent être combinées pour créer des modules, des panneaux ou de grands ensembles solaires, ce qui sera discuté plus en détail dans le prochain tutoriel.

Dans le prochain tutoriel sur « L’énergie Solaire », nous examinerons comment nous pouvons connecter ces cellules photovoltaïques individuelles pour produire un plus grand panneau photovoltaïque solaire afin de générer des tensions et des courants plus élevés.