La cellule solaire, ou cellule photovoltaïque, est un dispositif capable de convertir directement le rayonnement solaire en énergie électrique par effet photovoltaïque. Il existe plusieurs types de cellules solaires, qui sont classés en fonction des matériaux utilisés dans leur processus de fabrication. Les principaux types de cellules solaires sont produits en silicium, qui peut être cristallin, monocristallin (mono-Si), polycristallin (multi-Si) et amorphe (a-Si). En général, on utilise 36, 60 ou 72 cellules solaires interconnectées en série pour assembler une plaque solaire photovoltaïque (également appelée panneau solaire ou module photovoltaïque), l'équipement responsable de la production d'énergie photovoltaïque.
Qu'est-ce que l'énergie photovoltaïque ?
L'énergie photovoltaïque est l'énergie obtenue par la conversion directe de la lumière du soleil en électricité. L'effet photovoltaïque, rapporté par le physicien Edmond Becquerel en 1839, peut être compris comme l'apparition d'une tension électrique aux extrémités de la structure d'un matériau semi-conducteur, produite par l'absorption de la lumière. La cellule solaire ou photovoltaïque est l'unité fondamentale de ce processus de conversion de la lumière solaire en énergie électrique. L'énergie photovoltaïque est considérée comme un type d'énergie renouvelable et propre, qui peut être produite pour l'autoconsommation dans de petites installations ou pour alimenter des établissements et des industries dans de grandes centrales photovoltaïques. Ainsi, en plus de pouvoir être installées dans les habitations, les cellules solaires peuvent être connectées au réseau énergétique, ce qui contribue à réduire les coûts. Dans certains cas, les panneaux produisent plus d'énergie que nécessaire, ce qui permet de la vendre au réseau électrique.
Comment fonctionne l'énergie photovoltaïque ?
L'énergie solaire photovoltaïque est une source d'énergie renouvelable et propre qui utilise le rayonnement solaire pour produire de l'électricité. Elle repose sur ce que l'on appelle l'effet photovoltaïque, selon lequel certains matériaux sont capables d'absorber des photons (particules lumineuses) et de libérer des électrons, générant ainsi un courant électrique. Pour ce faire, on utilise un dispositif semi-conducteur appelé cellule solaire ou cellule photovoltaïque, qui peut être constitué de silicium monocristallin, polycristallin ou amorphe, ou d'autres matériaux semi-conducteurs, tels que le diséléniure de cuivre et d'indium et la pérovskite. Il est important de noter que l'efficacité des cellules solaires à convertir la lumière du soleil en électricité est relativement faible, de l'ordre de 10 à 25 %. Les cellules au silicium monocristallin sont obtenues à partir d'un seul cristal de silicium et atteignent un rendement maximal, entre 18 % et 20 % en moyenne. Les cellules au silicium polycristallin sont fabriquées en bloc à partir de plusieurs cristaux et ont un rendement moyen compris entre 16% et 17,5%. Enfin, les cellules au silicium amorphe ont un réseau cristallin désordonné, ce qui implique une moins bonne performance (rendement moyen entre 8 et 9 %), ainsi qu'un prix plus bas. Les techniques utilisées pour fabriquer des cellules solaires en silicium monocristallin et polycristallin sont complexes et coûteuses. Les panneaux solaires à base de silicium amorphe sont donc moins chers. Il convient de noter que la proportion du rayonnement solaire incident est un autre facteur qui influence l'efficacité du processus de conversion de la lumière solaire en électricité. Lorsque la cellule solaire est exposée à la lumière, une partie des électrons du matériau éclairé absorbe les photons. Les électrons libres sont transportés à travers le matériau semi-conducteur jusqu'à ce qu'ils soient attirés par un champ électrique, qui est formé dans la zone de jonction des matériaux par une différence de potentiel électrique existant entre ces matériaux semi-conducteurs. Les électrons libres sont transportés hors des cellules solaires et peuvent être utilisés comme énergie électrique. Le système photovoltaïque ne nécessite pas une forte irradiation solaire pour fonctionner. Toutefois, la quantité d'énergie générée dépend de la densité des nuages, de sorte qu'un nombre élevé de nuages peut entraîner une production d'électricité inférieure à celle d'une journée complètement dégagée. Le silicium est le matériau le plus couramment utilisé dans la fabrication des cellules solaires. Toutefois, des équipements fabriqués à partir de pérovskite peuvent également être utilisés.
Types de cellules solaires
Il existe plusieurs types de cellules solaires, qui varient en fonction des matériaux utilisés pour leur fabrication. Elles peuvent être produites avec du silicium, des éléments en couches minces, des composés organiques ou de la pérovskite. Chaque type de cellule solaire a ses propres caractéristiques, avantages et inconvénients.
- Cellule solaire au silicium cristallin (silicium monocristallin ou silicium polycristallin) ;
- Cellule solaire à couche mince (silicium amorphe ou disséléniure de cuivre et d'indium) ;
- Cellule solaire à pérovskite
- Cellule solaire organique.
Le nombre d'appareils mobiles connectés à l'internet est de plus en plus important, ce qui suscite des inquiétudes quant à la quantité d'énergie électrique disponible dans le réseau. Dans ce contexte, une étude a montré que les cellules solaires organiques offrent une plateforme de collecte d'énergie interne pour les appareils mobiles. Leur avantage par rapport au silicium est que les matériaux peuvent être conçus pour atteindre une efficacité quantique maximale pour les longueurs d'onde typiques de l'éclairage par diodes électroluminescentes (DEL). Combiné à la capacité de recevoir des données, cela ouvre une opportunité significative pour les appareils auto-alimentés, atténuant ainsi ces préoccupations.
Comment choisir?
Comme nous l'avons vu précédemment, les cellules solaires peuvent être de différents types. Pour choisir la meilleure d'entre elles et la quantité adaptée à vos besoins, vous devez d'abord tenir compte de la quantité de wattheures consacrée à votre propriété, du prix et de l'espace disponible. La garantie offerte par le fabricant, la conception et la finition des modules solaires qui contiennent les cellules sont également fondamentales, car elles garantissent leur durabilité. Une cellule solaire a une garantie de durée de vie utile d'au moins 25 ans, pouvant aller jusqu'à 40 ans. Ne faites donc pas votre choix uniquement en fonction du prix.
Une étude révèle les secrets du succès du solaire
La recherche s'est concentrée sur les cellules solaires à pérovskite, fabriquées à partir d'un groupe spécial de matériaux bon marché et faciles à fabriquer. Le groupe a atteint une efficacité de 21,6 % dans la conversion de la lumière du soleil en électricité, un record pour des cellules solaires en pérovskite de plus d'un centimètre carré. Un problème courant avec les cellules solaires est que tout défaut dans la cellule peut piéger les électrons, ce qui leur enlève l'énergie qu'ils ont gagnée en absorbant la lumière du soleil. L'un des moyens de contourner ce problème est de "passivation" de la surface en recouvrant le matériau absorbant la lumière d'une fine couche d'un autre matériau afin de réduire les défauts. Mais les matériaux utilisés pour réduire les défauts sont généralement de mauvais conducteurs d'électricité.