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Cellules photovoltaïques

La cellule photovoltaïque est composée d’un matériau semi-conducteur qui absorbe l’énergie lumineuse et la transforme directement en courant électrique.

 

Quels sont les différents types de cellules ?

Généralement on distingue des cellules photovoltaïques en fonction des développements technologiques. 

Les cellules de 1ère génération

Les cellules de première génération sont basées sur une seule jonction P-N et utilisent généralement le silicium sous forme cristalline comme matériau semi-conducteur. Le silicium est fondu puis refroidi afin d’obtenir un cristal qui sera découpé en fines tranches (les wafers) pour obtenir la cellule photovoltaïque. Cette méthode de production est très énergivore et donc très chère. Elle nécessite par ailleurs un silicium de grande pureté. On différencie les cellules en silicium monocristallin et en silicium polycristallin.

Les cellules en silicium monocritallin :

+ Très bon rendement

+ Sensibilité accrue aux rayonnements directs

- Coût élevé

 

Les cellules en silicium polycristallin :

+ Bon rendement (moins bon que les cellules monocristallines)

+ Coût moins élevé que pour les cellules monocristallines

+ Sensibilité accrue aux rayonnements directs

       - Forte sensibilité à la température

 

Les cellules de 2ème génération

Les couches minces constituent la seconde génération de technologie photovoltaïque. Dans cette génération, on distingue le silicium amorphe (a-Si), le disélénium de cuivre indium (CIS), le tellure de cadnium (cdTE), entre autres,…

Dans le cas de couches minces, la couche de semi-conducteur est directement déposée sur un substrat (ex : verre, plastique,…). La production de ce type de cellules st moins couteuse que celle de 1ère génération puisqu’elles consomment moins de matériaux semi-conducteur et ne nécessite pas de passer par l’étape de transformation en « wafers ». 

Ces cellules possèdent divers avantages et inconvénients :

+ Sensibilité accrue aux rayonnements diffus

+ Moins sensible à l’ombrage dû à la forme longitudinale des cellules

+ Moins de matériau de base pour la fabrication

+ Moins sensible aux fortes températures

+ permet la fabrication de panneaux souples et flexibles

- Certains éléments très polluants lors de la fabrication (cadnium)

- Performance diminuant dans le temps

- Rendement moindre que les cellules de 1ère génération

 

Notons que le disélénium de cuivre qui est au stade de la production industrielle et offre un rendement de 10 à 12% pour les modules commerciaux ne présente pas les problèmes de toxicité du cadnium. Les réductions de coût attendus à moyen terme pour cette technologie sont donc très promoteurs.

 

Les cellules de 3ème génération

La troisième génération vise à passer la limite maximale de rendement des cellules actuelles, qui est d’environ 30%. Plusieurs concepts sont envisagés pour atteindre cet objectif :

  • Superposition de multiples cellules (utilisant des bandes d’énergie différentes)
  • Cellules à concentration
  • Utilisation de photons à basse énergie qui ne sont habituellement pas abordé par la cellule
  • Cellules à électrons chauds produisant plus de pairs d’électron/trou pour des énergies supérieures à la bande d’énergie
  • Conversion des photons pour ajuster le spectre de la lumière solaire aux caractéristiques du semi-conducteur

 

 

Le rendement des cellules photovoltaïques

Le rendement d’une cellule est le ratio entre l’énergie lumineuse reçue à la surface de la cellule et l’énergie électrique produite par cette même cellule.

Le rendement d’une cellule photovoltaïque serait d’environ 85% si chaque photon pouvait transférer toute son énergie à un électron. Cependant, ceci n’est pas le cas vu que le transfert d’énergie peut se faire uniquement si la bande d’énergie propre à chaque semi-conducteur. Ainsi, les photons avec une énergie inférieure à cette valeur type ne pourront participer à l’effet photovoltaïque (leur énergie sera convertie en chaleur) et les photons avec une énergie supérieure à cette valeur type ne pourront transmettre que l’énergie propre au semi-conducteur (tout excès est alors perdu). Dans les cellules actuelles, ces deux effets limitent le rendement théorique des cellules à 50%.

 

Type

Rendement cellule (en labo)

Module
(en labo)

Module (commercial)

Niveau de développement

1ère génération

Silicium monocristallin

24,70%

22,70%

12-20%

Production industrielle

Silicium polycristallin

20,30%

16,20%

11-15%

Production industrielle

2e génération

Silicium amorphe

13,40%

10,40%

5-9%

Production industrielle

Silicium cristallin en couche mince


9,40%

7%

Production industrielle

CIS

19,30%

13,50%

9-11 %

Production industrielle

CdTe

16,70%


6-9%

Prêt pour la production

3e génération

Cellule organique

5,70%



Au stade de la recherche

Cellule de Grätzel

11%

8,40%


Au stade de la recherche

Cellules multi-jonctions

39%

25-30%


Au stade de la recherche, production exclusivement pour applications spatiales

(Systèmes Solaires – hors-série spécial recherche solaire – Juillet 2006)

 

Comment le rendement de la cellule varie-t-il avec la température ?

L’augmentation de la température de la cellule se répercute donc directement sur la tension produite par cette même cellule et donc, indirectement, sur son rendement (la puissance d’une cellule étant le produit de la tension à ses bornes par le courant qui la traverse)

Chaque degré de réchauffement produit des pertes de l’ordre de 0,5% sur le rendement de la cellule (par rapport au rendement maximum)

 

Comment le rendement de la cellule varie-t-il avec la luminosité ?

L’irradiation que reçoit une cellule influence de manière importante le courant au borne de cette même cellule et donc, indirectement, son rendement (la puissance d’une cellule étant le produit de la tension à ses bornes par le courant qui la traverse)

Plus l’irradiation sera importante et plus le rendement de la cellule sera élevé (par rapport au rendement maximum).

 

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