Cellule photovoltaïque

 
Une cellule photovoltaïqueUne cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère une tension électrique (volt) (cet effet est appelé l'effet photovoltaïque). La tension obtenue est de l'ordre de 0,5 V.

Les cellules photovoltaïques sont constituées de semi-conducteurs à base de silicium (Si), de sulfure de cadmium (S Cd) ou de tellure de cadmium (Cd Te). Elles se présentent sous la forme de deux fines plaques en contact étroit. Un autre nom est "photo-galvanique".

Principe de fonctionnement

Il peut être illustré par l'exemple suivant, qui présente le cas d'une cellule au silicium :

La couche supérieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément de valence supérieure dans la classification périodique, c'est à dire qui possède plus d'électrons sur sa couche de valence que le silicium. Le silicium possède 4 électrons sur sa couche de valence : on peut donc utiliser des éléments de la colonne de l'oxygène, par exemple le Phosphore P. Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d'électrons supérieure à une couche de silicium pur. Il s'agit d'un semi-conducteur de type N.
La couche inférieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément de valence inférieure au silicium. Il peut s'agir de Bore B. Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d'électrons inférieure une couche de silicium pur. Il s'agit d'un semi-conducteur de type P.
Lorsqu'on met ces deux semi-conducteur en contact (de manière à ce qu'il puisse y avoir conduction), on crée une jonction PN, qui doit permettre le passage des électrons entre les deux plaques. Cependant, dans le cas d'une cellule photovoltaïque, le gap du semi-conducteur de type N est calculé de manière à ce que le courant ne puisse pas s'établir seul : il faut qu'il y'ait un apport d'énergie, sous forme d'un photon de lumière, pour qu'un électron de la couche N soit arraché et vienne se placer dans la couche P, créant ainsi une modification de la répartition de la charge globale dans l'édifice.

Deux électrodes sont placées, l'une au niveau de la couche supérieure et l'autre au niveau de la couche inférieure : une différence de potentiel électronique et un courant électrique sont créés.

Technique de fabrication

Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques disponibles à un niveau industriel.
Divers traitements du sable permettent de purifier le silicium qui est alors chauffé et réduit dans un four.
Le produit obtenu est un silicium dit métallurgique, pur à 98% seulement. Ce silicium est ensuite purifié chimiquement et aboutit au silicium de qualité électronique qui se présente sous forme liquide.
Par la suite, ce silicium pur va être enrichi en éléments dopant (P, As, Sb ou B) lors de l'étape de dopage, afin de pouvoir le transformer en semi-conducteur de type P ou N.
La production des cellules photovotaiques nécessite de l'énergie, et on estime qu'une cellule photovoltaïque doit fonctionner pendant plus de deux ans pour produire l'énergie qui a été nécessaire à sa fabrication.

Utilisation

Les cellules photovoltaïques sont regroupées sur des panneaux solaires. Ils sont utilisés pour produire de l'électricité dans des lieux isolés du réseau électrique, ou bien raccordé au réseau électrique, avec éventuellement une option de sécurisation de l'alimentation.

Solaire photovoltaïque

La recherche est très active dans le domaine du solaire photovoltaïque. Les prix diminuent constamment et les rendements progressent.

En 20 ans, les rendements sont passés de 15% à 36% dans les laboratoires. Ce dernier chiffre serait celui atteint sur Terre par les cellules solaires utilisées par les robots martiens. Les rendements des systèmes disponibles commercialement sont quant à eux passés de 5% à plus de 20%.

La technologie basée sur le silicium a un développement comparable à celui de l'informatique. De nombreuses sociétés actives dans ce domaine, comme Sharp, sont aussi actives dans l'électronique.

En 2003, les nouvelles installations ont représenté, dans le monde, une puissance de 574 MW-pic, en augmentation de 34% par rapport à 2002. Financièrement, il s'agit maintenant d'un marché de 4 milliards d'euro par an. Le Japon, l'Allemagne et les États-Unis représentent ensemble 75% du marché mondial. Les installations connectées aux réseaux (sans stockage de l'électricité) représentent la majorité des nouvelles installations.

Un autre domaine de recherche est celui de l'intégration des composants photovoltaïques dans les éléments de construction, ce qui diminue fortement le coût global (tuiles, panneaux de toiture, vitrages, façades, etc).

Outre l'amélioration constante des produits à base de silicium, on peut citer deux technologies innovantes et sans doute promises à un bel avenir : les cellules photovoltaïques en plastique et les cellules de Graetzel.

Les cellules photovoltaïques en plastique

Les cellules solaires en plastique ont un rendement compris entre 4 et 5% et elles restent encore très fragiles car elles sont sensibles à l'oxygène et à l'humidité. La recherche vise à améliorer l'encapsulage et à en diminuer le prix (actuellement de l'ordre de 2 euros/watt-crête, c'est-à-dire le double de la technologie basée sur le silicium).

Les cellules de Graetzel

Les cellules de Graetzel (nom de l'inventeur de l'École polytechnique fédérale de Lausanne) sont des cellules solaires nano-cristallines à colorant. La résistance à la chaleur en était le point faible mais fait l'objet de recherches intensives.

Ces cellules sont inspirées de la photosynthèse et sont constituées d'un côté d'une couche de dioxyde de titane recouverte d'un colorant appelé «sensibilisateur» et de l'autre d'une solution électrolytique. Lorsqu'un rayon lumineux tombe sur le colorant, un électron est éjecté. Tous les électrons ainsi libérés traversent l'oxyde, sont collectés au bord de la cellule et ensuite dirigés vers un circuit externe.

Source: wikipedia