La cellule solaire - Types, fonction et rendement

Les installations photovoltaïques font désormais partie du paysage quotidien de nombreux bâtiments et terrains. Elles constituent un élément important de la transition énergétique. Les cellules photovoltaïques sont un élément essentiel des installations solaires. L'article suivant vous explique comment elles fonctionnent, quels sont les différents types et quel est leur rendement.

Comment les cellules solaires sont-elles construites ?

Les cellules solaires au silicium sont composées de trois couches. Les deux couches de silicium dopées différemment constituent le composant principal : la couche dopée de type n et la couche dopée de type p. La couche dopée n est mélangée à du phosphore, ce qui la rend négative (elle dispose d'électrons libres). Dans la couche dopée p, du bore est mélangé, ce qui la rend positive (elle manque d'électrons). Entre les deux couches se trouve une couche limite que les charges libérées ne peuvent traverser qu'à l'aide de la lumière solaire. Dans ce noyau de la cellule solaire, les mouvements d'électrons créent un champ électrique - également appelé jonction p-n. Ce champ électrique est créé par les électrons qui se déplacent dans la cellule.

Comment fonctionnent les cellules photovoltaïques ?

Le semi-conducteur silicium utilisé dans les cellules solaires réagit aux rayons du soleil, qui contiennent des photons, en libérant des électrons. Il y reste des trous chargés positivement. En fonction de leurs charges, les électrons se déplacent vers l'électrode négative ou positive. Alors que les électrons se déplacent vers le haut du silicium, les trous se déplacent vers le bas. Les charges s'écoulent vers le haut à travers les couches métalliques conductrices et parviennent ainsi au consommateur qui a besoin de l'énergie - il peut s'agir de lampes, d'ordinateurs ou de réseaux électriques. Ensuite, le circuit électrique est fermé par le fait que les électrons se déplacent de nouveau vers la couche avec les électrons manquants.

Des contacts métalliques à l'avant et à l'arrière, reliés entre eux par un câble, garantissent que le courant est utilisable par les consommateurs. Une couche de contact intégrale sur la face arrière détourne les électrons et les fait circuler via un câble. Il en résulte un circuit électrique. Sur la face avant, les contacts sont appliqués sous la forme d'une fine grille, ce qui permet à la lumière d'atteindre la surface.

Quels sont les différents types de cellules photovoltaïques ?

Les cellules solaires font partie des composants les plus importants d'une installation photovoltaïque, car elles déterminent en grande partie le coût d'achat de l'installation PV et la quantité d'électricité qu'elle peut produire. Actuellement, il existe trois types de cellules solaires qui intéressent les utilisateurs privés : Les cellules solaires monocristallines, les cellules solaires polycristallines et les cellules à couches minces.

• Cellules solaires monocristallines

  Les cellules solaires monocristallines sont composées de silicium monocristallin. Ce type de cellule dispose d'une très forte proportion de silicium et est, avec un rendement d'environ 20 pour cent, la cellule solaire la plus efficace en cas de rayonnement solaire direct. En raison de la complexité de leur production, les modules monocristallins sont toutefois relativement chers.

• Cellules solaires polycristallines

  Les cellules solaires polycristallines sont également fabriquées à partir de silicium, mais celui-ci n'est pas aussi pur dans ce type de cellules. Comme la fabrication des modules est moins coûteuse et que la forme carrée de la cellule ne génère que peu de déchets, les cellules solaires polycristallines sont moins chères et également meilleures pour le bilan environnemental de l'installation photovoltaïque. Elles sont souvent considérées comme les cellules solaires présentant le meilleur rapport qualité-prix. Cependant, leur rendement est plus faible (environ 15 %) car elles utilisent moins de silicium pur.

• Cellules à couches minces

  Les cellules à couche mince font partie des cellules solaires amorphes, c'est-à-dire non cristallines. Elles sont également fabriquées à partir de silicium, qui est mélangé à d'autres matériaux et déposé en couche très fine sur un matériau de support, comme le verre par exemple. Leur rendement n'est que de cinq à sept pour cent et doit donc être compensé par une plus grande surface de module. En fonction du matériau de support, les cellules à couches minces sont très flexibles et peuvent même être roulées et pliées. Le processus de production est relativement simple, ce qui rend ces cellules moins chères que les cellules cristallines (cellules à couche épaisse).

Quel est le rendement des cellules photovoltaïques ?

Le rendement (représenté par la lettre grecque η) indique l'efficacité avec laquelle la cellule solaire fonctionne. Il se calcule à partir du rapport entre l'énergie électrique émise et l'énergie lumineuse incidente. Plus cette valeur est proche du maximum de 1 (100 pour cent), plus le rendement de la cellule solaire est élevé. Le rendement désigne la qualité avec laquelle la cellule solaire utilise l'énergie disponible sous forme de lumière. Le matériau utilisé est un facteur essentiel pour le rendement des cellules solaires. Actuellement, presque tous les modules solaires sont composés de silicium.

Outre les pertes de courant, la température des modules et les fréquences du spectre lumineux traitées sont également des facteurs d'influence sur le rendement des cellules solaires. Ces derniers déterminent la limite physiquement possible du rendement en silicium monocristallin. En théorie, il est possible d'atteindre 33 pour cent, ce qui n'est pas le cas dans la pratique. Une cellule solaire a toujours un rendement plus élevé qu'une installation photovoltaïque, car les pertes de tous les composants d'une installation sont prises en compte dans le rendement global. Dans l'onduleur, le courant continu est converti en courant alternatif, ce qui entraîne également des pertes. De plus, la longueur et la section des câbles de raccordement ainsi que les longs câbles pour le courant alternatif réduisent l'efficacité.

La somme des pertes d'une installation peut atteindre quatre pour cent et plus, ce qui affecte le rendement global. C'est pourquoi, lors de la construction d'une installation solaire, outre le choix des cellules/modules solaires appropriés, le choix des autres composants est également important. Pour choisir le type de cellules solaires d'une installation photovoltaïque, le rendement seul n'est pas déterminant. Vous devez tenir compte de toutes les conditions marginales et utiliser les cellules solaires qui promettent le rendement global le plus efficace pour vous.