Les cellules photovoltaïques sont l’unité de base des panneaux photovoltaïques. Ces petites plaquettes noires bleutées ont pour effet de convertir la lumière du soleil en courant électrique. Comment réalisent-elles cette prouesse ? Tout provient du matériau semi-conducteur qui les compose, le silicium enrichi. Monocristallin ou polycristallin, il garantit un rendement de 14 à 23 %. La puissance du courant délivré augmente avec la surface de la cellule. Les plus grandes (M12) délivrent 9,92 watts.
Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
La cellule photovoltaïque capte l’énergie gratuite du soleil pour en faire de l’électricité. Pour ce faire, elle exploite un phénomène physique précis, l’effet photovoltaïque. Elle délivre ainsi un courant électrique pouvant servir au bricolage, à la science, aux entreprises ou aux appareils domestiques.
L’effet photovoltaïque
Issu de la recherche scientifique, l’effet photovoltaïque se déroule à l’échelle atomique, en 4 temps :
- Les rayons solaires frappent les couches de silicium de la cellule.
- Les photons arrachent des électrons aux atomes de silicium enrichis.
- Ces électrons se chargent de l’énergie des photons solaires.
- Un courant électrique se crée dans la cellule.
Notez que pour une production d’électricité optimale, la question de l’orientation et de l’inclinaison des panneaux est fondamentale.
La collecte du courant
Ainsi, c’est la rencontre entre la lumière solaire et le matériau de la cellule qui génère un courant électrique interne. Mais pour que son utilisation soit possible, il est nécessaire de l’exporter hors de la cellule. Cette action est possible grâce à des contacts métalliques intégrés à la cellule.
Le type de courant délivré
Le mouvement des électrons dans le silicium enrichi, en direction des contacts métalliques, crée un flux de courant électrique. Ce courant est de type continu. La tension délivrée varie, selon la cellule et les matériaux utilisés, de 0,5 V à moins de 2 V. Pour une utilisation domestique, cette tension continue est convertie en tension alternative par un onduleur.
Les trois grands types de cellules solaires
Le marché des cellules solaires est largement dominé par la technologie du silicium cristallin. En 2024, elle représente 95 % des panneaux solaires installés. Toutefois, il existe d’autres technologies que vous devez connaître. Il s’agit des cellules photovoltaïques organiques et des cellules hybrides à couche mince.
La cellule au silicium cristallin
La technologie du silicium cristallin est la plus répandue actuellement, grâce à son bon rapport qualité/prix. Elle recouvre deux technologies distinctes, présentées dans le tableau suivant.
| Type de technologie au silicium cristallin | Caractéristiques | Aspect | |||
| La cellule au silicium monocristallin | Matériau unique (un seul type de silicium) | Monochrome, gris foncé ou noir | |||
| La cellule au silicium polycristallin | Mélange de plusieurs matériaux de base (plusieurs types de silicium) | Effet pailleté, bleu foncé |
Chaque cellule de silicium est une tranche fine (wafer) découpée dans un lingot de silicium. Leur épaisseur varie de 0,15 à 0,20 mm.
La cellule photovoltaïque organique
Ces cellules photovoltaïques sont une alternative aux cellules au silicium. Elles sont qualifiées d’organiques parce que leur couche active contient des composés chimiques comme le carbone et l’hydrogène. Moins chères à produire que les cellules au silicium, les cellules organiques de déclinent en trois principales technologies :
- cellules photovoltaïques en pérovskite ;
- cellules photovoltaïques à polymère ;
- cellules photovoltaïques à colorants.
La cellule hybride à couches minces
Les cellules photovoltaïques à couches minces représentent une technologie de cellule solaire de deuxième génération. La fabrication consiste à appliquer des couches minces de matériau photovoltaïque sur un support (verre ou plastique). Ces matériaux photovoltaïques peuvent être du silicium amorphe ou du tellurure de cadmium. L’utilisation principale est le vitrage photovoltaïque semi-transparent, intégré aux bâtiments.
Composition des cellules au silicium cristallin
Revenons sur la technologie la plus répandue : la cellule au silicium cristallin. Elle est présente sur les petits panneaux solaires pour électronique portable comme sur les grands panneaux. Notons également que la cellule au silicium monocristallin est celle dont le rendement est le plus élevé. Cette cellule photovoltaïque est une tranche issue d’un lingot de silicium, enrichie de dispositifs de transport du courant électrique.
La tranche de lingot ou wafer
Le silicium est le matériau le plus répandu sur terre. Économique, il est fondu à 1 450°C, travaillé puis moulé sous forme de lingots. Ces lingots de silicium sont classés selon la diagonale de leur section, qui s’est agrandie au fur est à mesure des années.
| Classification des lingots de silicium | Taille des sections des lingots de silicium | Année d’apparition des lingots de silicium | |||
| M2 | 205 et 210 mm | 2013 | |||
| M4 | 211 mm | 2013 | |||
| M6/G1 | 223 mm | 2016 | |||
| M9 et M10 | 247, 270 et 281 mm | 2019 | |||
| M12/G12 | 295 mm | 2019 |
Une cellule photovoltaïque brute est une fine tranche, ou wafer, découpée dans les lingots de silicium.
Les lignes de métallisation
Pour collecter le courant généré par la rencontre de la lumière solaire et du silicium cristallin, des conducteurs métalliques sont ajoutés à la cellule. Ces conducteurs métalliques sont intégrés sous forme de grille fine sur la face avant de la cellule et de couche continue sur la face arrière. Il s’agit de barres omnibus et de doigts de collecte. Les doigts de collecte transportent le courant de la cellule vers les barres omnibus. Suivant la taille de la cellule, le nombre de barres omnibus varie : 2, 3, 4, 5, 9, 10 ou 12.
Puissance électrique des cellules photovoltaïques
Si une cellule photoélectrique fournit une tension électrique, elle délivre également une certaine puissance. Celle-ci dépend de la qualité du matériau et de son enrichissement, mais aussi de sa surface. Le tableau suivant récapitule les puissances selon le type de cellule.
| Type de cellule photovoltaïque | Puissance de la cellule en watts | Dimension d’un côté de la cellule en mm | |||
| M12 | 9,92 | 210 | |||
| M10 | 7,75 | 182 | |||
| M6 | 6,30 | 166 | |||
| M4 | 5,83 | 161 | |||
| G1 | 5,71 | 158,75 | |||
| M2 | 5,50 | 156,75 |
Connaître la puissance par cellule permet de calculer la puissance par panneaux. C’est indispensable pour définir le dimensionnement approprié d’une installation photovoltaïque en site isolé ou d’un projet d’équipement spécifique.
Le rendement de la cellule photovoltaïque
Pourquoi existe-t-il plusieurs technologies de cellules photovoltaïques ? L’une des explications est la recherche du meilleur compromis rendement/coût de fabrication. Par exemple, les cellules au silicium monocristallin ont des rendements très intéressants (jusqu’à 23 %). Les rendements les plus bas sont ceux des cellules à couches minces (de 10 à 15 %). Mais leur coût de fabrication est plus compétitif.
N.B. Le rendement d’une cellule est le rapport entre la puissance de la lumière reçue et la puissance électrique fournie. L’étalon de mesure est 1 000 watts de lumière reçue/m².
Durée de vie des cellules photovoltaïques
La conception d’un équipement photovoltaïque répondant à vos besoins requiert des compétences pointues. Pour une entreprise, l’essentiel est le retour sur investissement et la rentabilité de l’opération, même pour des panneaux solaires miniatures ou des panneaux solaires autonomes.
Le calcul de rentabilité s’appuie entre autres sur la durée de vie des cellules. Elle varie de 25 à 30 ans pour les cellules photovoltaïques au silicium cristallin. Du fait de la jeunesse de la technologie, le recul manque pour définir la durée de vie des cellules organiques. Elle est estimée à « quelques années ».
Actuellement, les cellules photovoltaïques au silicium cristallin dominent le marché. La technologie au silicium monocristallin présente le meilleur rendement, entre 18 et 23 %. Si elle est de taille M12 (210 × 210 mm) sa puissance atteint 9,92 watts. Les cellules photovoltaïques sont l’unité de base des panneaux solaires. Vous avez un appareil spécifique à alimenter ? Jade Technologie vous propose des panneaux solaires de qualité. Contactez-nous !