Comprendre le fonctionnement des cellules photovoltaïques
L’effet photovoltaïque
La cellule photovoltaïque, aussi appelée cellule solaire, est un composant électronique qui produit de l’électricité en étant exposé à la lumière. Elle se présente sous la forme d’un petit carré plat de couleur noir mat ou bleuté. A elle toute seule, elle permet d’alimenter un petit objet électrique, comme par exemple, une montre ou une calculatrice. Mais c’est en combinaison avec un bon nombre d’autres cellules qu’elle est capable de développer tout son pouvoir et de produire de grandes quantités d’énergie.
Le fonctionnement de la cellule solaire est basé sur l’effet photovoltaïque, découvert en 1839 par le physicien français Alexandre Edmond Becquerel. L’effet photovoltaïque est un des effets photoélectriques qui se produisent dans un matériau sous l’action de la lumière. Plus précisément, c’est une capacité de certains matériaux à émettre des électrons après avoir été exposé aux rayons produits par une source lumineuse. Tous les semi-conducteurs possèdent cette capacité à un degré plus ou moins important.
Voyons cela de plus près. La lumière est composée de petits paquets d’énergie appelés photons qui se déplacent très rapidement. Lorsqu’un photon frappe la surface d’un semi-conducteur, il arrache un électron à la matrice et crée un trou (trou d’électron). Les électrons et les trous ainsi formés ont habituellement tendance à se recombiner, annulant leur charge électrique. Le principe d'une cellule photovoltaïque est d’empêcher les recombinaisons et de créer un champ électrique forçant les électrons et les trous à se diriger chacun vers une face opposée du matériau. Il s’ensuit une différence de potentiel et donc une tension continue entre les deux faces, comme dans une pile. Quand la cellule est connectée à une charge, un courant la traverse. Il s’agit d’un courant continu pouvant être utilisé pour recharger une batterie, par exemple. Pour utiliser ce courant dans une maison ou le revendre à un opérateur, il faut y relier un onduleur, qui transforme le courant continu en courant alternatif.
Matériau de base : le silicium
La fabrication de la première cellule photovoltaïque est attribuée à Charles Fritts en 1883. Cette cellule atteignait un rendement de 1% et était composée d’une feuille de sélénium logée entre deux couches métalliques (couche supérieure en or, couche inférieure en laiton). Cependant, le sélénium ne pouvant pas être utilisé pour la production d’énergie pratique en raison de son faible rendement, il a fallu attendre l’an 1954 pour que le premier véritable panneau solaire voit le jour. C’est alors que les premières cellules en silicium ont été développées par les laboratoires Bell aux Etats-Unis. Elles avaient un rendement de 6%, puis de 9% en 1958.
Actuellement, le silicium est le matériau le plus utilisé pour la fabrication des cellules solaires. On l’obtient à partir de la silice (dioxyde de silicium), composé le plus abondant du manteau et de la croûte terrestre (notamment sous forme de quartz ou en tant que principal constituant des sables et des grès). Le silicium utilisé pour la fabrication des cellules photovoltaïque doit être pur à 99,9999 %. Pour arriver à ce niveau de pureté, la matière première doit être chauffée dans de puissants fours permettant d’atteindre des températures supérieures à 3 000 °C et ensuite subir plusieurs traitements complémentaires. L’étape suivante, c’est la recristallisation, durant laquelle le silicium va devenir soit monocristallin, soit polycristallin.
Le silicium polycristallin est plus facile à obtenir. Il est constitué de multiples petits cristaux de tailles et de formes variées, ce qui donne aux cellules un aspect hétérogène. Le processus de fabrication du silicium monocristallin est plus complexe et plus long, mais il permet d’obtenir des cellules constituées d'un seul cristal ordonné. Cela leur donne une couleur noire unie très caractéristique, mais surtout leur confère une meilleure capacité pour capter la lumière du soleil, même quand il s’agit d’un rayonnement diffus. Ainsi, leur production d’électricité peut démarrer légèrement plus tôt dans la journée et s'arrêter légèrement plus tard dans la soirée, tandis que la production des cellules polycristallines n’est optimale qu’avec une bonne exposition au soleil, en milieu de journée essentiellement.
Mais, même si les cellules monocristallines ont un meilleur rendement (jusqu’à 25 %, contre 14 – 18 % pour les cellules polycristallines), elles sont chères à fabriquer. Il s’agit en effet de cellules pour des panneaux solaires haut de gamme, comme les panneaux aérovoltaïques qui utilisent l’énergie solaire pour produire à la fois de l’électricité et de la chaleur.
Cellules photovoltaïques deuxième génération
A côté du silicium mono et polycristallin, il existe aussi le silicium amorphe, qui est une forme non cristalline de silicium. Ce type de silicium est largement utilisé pour la fabrication des cellules à couches minces, souvent désignées comme cellules de deuxième génération. Ces cellules sont constituées de très fines couches d’un semi-conducteur, déposé sur un support en verre, en plastique flexible ou en acier inoxydable, ce qui réduit considérablement les coûts de production. Elles offrent également l’avantage de fonctionner avec une lumière faible ou diffuse (même par temps couvert ou sous un éclairage artificiel de 20 à 3 000 lux). En revanche, leur durée de vie est limitée et leur rendement réduit rapidement avec le temps.
Pour fabriquer les cellules photovoltaïques à couches minces on utilise également d’autres matériaux photosensibles sans structure cristalline ordonnée (amorphes), comme le tellurure de cadmium (CdTe), le sulfure de cuivre indium gallium (CIGS), ainsi que d'autres composés organiques, organométalliques et des substances inorganiques.
Un certain nombre de ces technologies sont prometteuses. Par exemple, les cellules CIGS à base de cuivre, de l’indium, du gallium et de sélénium, permettent d’atteindre les rendements intéressants légèrement inférieurs à 20 %, tandis que les cellules au tellurure de cadmium permettent de produire de l’électricité même quand la luminosité baisse, comme au début ou en fin de journée. Toutefois, la plupart de ces cellules n'ont pas encore été mises sur le marché et sont encore en phase de recherche ou de développement, notamment pour réduire les coûts de fabrication ou à cause de la toxicité de leurs composants.
Cellules photovoltaïques troisième génération
Les cellules photovoltaïques de la troisième génération visent à dépasser la limite maximale de rendement des cellules actuelles (environ 30%). Parmi ces cellules, mentionnons les cellules de Grätzel (à pigment photosensible), les cellules CIGS, les cellules à multi-jonction, les cellules à pérovskite, etc.
Les cellules à pérovskite font l’objet d’un intérêt particulièrement soutenu parce qu’il s’agit d’un groupe de matériaux disposant de propriétés d’absorption de la lumière très intéressantes. Les pérovskites sont connues depuis 1830, mais leur potentiel photovoltaïque n’a été découvert qu’à la fin des années 2000 par Tsutomu Miyasaka, chimiste et ingénieur japonais. Grâce à ses recherches, il a été démontré que les cellules à pérovskites offrent des performances supérieures que celles à base de silicium (jusqu’à 30% de rendement). En même temps, les pérovskites sont au moins tout autant répandues, moins fragiles que le silicium et avec des coûts d’extraction extrêmement faibles. En plus, elles peuvent être combinées à des cellules de silicium existantes dans des architectures «tandem» pour un rendement plus élevé, puisque la combinaison de ces deux semi-conducteurs permet de capter un plus large spectre lumineux. Les cellules à pérovskites souffrent toutefois d’un inconvénient majeur : elles sont encore trop instables, sensibles à la chaleur, aux UV ou encore à l’humidité.
Les cellules photovoltaïques multi-jonction promettent un rendement encore plus important, plus de 40 % ! Composées de plusieurs couches de différents semi-conducteurs empilées les unes sur les autres, elles permettent d’exploiter une large part du spectre lumineux. Leur processus de fabrication les rend malheureusement extrêmement coûteuses, ce qui fait qu’elles sont pour le moment réservées exclusivement à l’industrie spatiale.
Les cellules photovoltaïques en polymères présentent un intérêt dans un tout autre registre. Pour l’instant d’un très faible rendement (moins de 5% en moyenne), elles sont en revanche légères, peu fragiles et bénéficient d’un coût de revient faible. Grâce à leur flexibilité, elles peuvent être facilement intégrées à des matériaux souples en polymères organiques, voire à des fibres textiles. En plus, leur procédé de fabrication a un faible impact écologique et consomme bien moins d'énergie que ceux mis en œuvre pour les cellules à base de semi-conducteurs minéraux. Bref, à condition que l’on puisse améliorer leur rendement, elles pourraient jouer un rôle important dans la production d’énergie photovoltaïque.
Applications et avantages des cellules photovoltaïques
Les cellules photovoltaïques dans la vie de tous les jours
Comme vous avez pu le voir, le photovoltaïque est une énergie renouvelable très innovante et qui offre de nombreuses perspectives. En fonction de la technologie utilisée, elle trouve des applications multiples dans le secteur résidentiel, industriel et même spatial.
Bien évidemment, quand on parle des panneaux photovoltaïques, on pense avant tout aux installations domestiques qui vous permettent de produire de l’électricité à domicile. Dans ce cas, les panneaux solaires, majoritairement des panneaux poly- ou multicristallins, sont installés à même le sol ou sur le toit d’une maison. L’électricité que ces panneaux produisent alimente l’installation intérieure de la maison ou est directement injectée dans le réseau de distribution. L’électricité peut également être stockée dans des batteries, pour être utilisée plus tard.
En France, les panneaux solaires résidentiels sont en plein essor. C’est dû notamment à la volonté de l’Etat d’encourager la transition énergétique dans les bâtiments via diverses aides (TVA à taux réduit, prime à l’autoconsommation photovoltaïque, obligation d’achat). Le photovoltaïque séduit également les particuliers, comme les autres énergies renouvelables, par son côté écologique, comme un moyen de limiter son impact sur l’environnement. Mais, c’est aussi une possibilité d’avoir un revenu complémentaire de plusieurs milliers d’euros par an, grâce au rachat d’électricité par EDF, et une plus-value immobilière de 15 à 25% !
En même temps, les cellules solaires peuvent aussi être présentes dans divers objets et appareils électriques de notre vie quotidienne, comme les calculatrices, les jouets, les montres, les portails motorisés, etc. Pour ce genre d’utilisation, le recours à l’énergie solaire est souvent bien plus pratique qu’une pile bouton ou une alimentation secteur et offre une excellente durée de vie. La technologie privilégiée est alors celle des couches minces à base de silicium car elle permet de produire de l’électricité même avec une faible luminosité. Elle peut éventuellement être complétée d’un condensateur pour pouvoir utiliser l’appareil même dans l’obscurité.
Le photovoltaïque au service des communes
Les collectivités territoriales ont aussi recours aux panneaux photovoltaïques pour profiter de leurs nombreux avantages. En produisant et en consommant l’énergie localement, les communes acquièrent une certaine autonomie et réduisent l’impact budgétaire des fluctuations de prix de l’électricité, mais aussi dynamisent l’emploi au niveau local.
Et il ne s’agit pas uniquement des fermes solaires. Les panneaux photovoltaïques peuvent être utilisés par les communes pour alimenter les systèmes d’éclairage public (LED de préférence) ou les bornes d’information d’arrêt de bus, surtout dans des zones difficiles d’accès, afin d’éviter de creuser des tranchées nécessaires à l’alimentation électrique par le réseau. En montagne ou dans les îles, par exemple, le photovoltaïque peut alimenter des refuges ou des habitations éloignées, des stations météorologiques, des stations de télécommunication et de radiodiffusion, ainsi que des appareils médicaux.
Les cellules photovoltaïques dans le secteur industriel
Le recours aux cellules solaires permet aux entreprises de réduire leur facture d’énergie, tout comme leur empreinte carbone. Les systèmes de surveillance, d’éclairage, peuvent être équipés de modules solaires pour une alimentation autonome, mais les entreprises ont aussi la possibilité d’installer des panneaux solaires sur les toits de leurs locaux pour la revente d’électricité.
L’utilisation de l’énergie solaire hors réseau devient aussi de plus en plus répandue. Les cellules photovoltaïques permettent de recharger les batteries de divers appareils électriques de faible puissance, par exemple des appareils de mesure ou d’éclairage et aussi de l’enregistrement des données. L’alimentation solaire est d’autant plus d’actualité quand il s’agit des sites isolés où recharger les batteries autrement peut s’avérer problématique.
En milieu agricole, le photovoltaïque peut être utilisé pour les pompes d’eau assurant le remplissage des auges du bétail, pour des systèmes d’inclinaison des fenêtres des serres horticoles et leur dispositif d’éclairage ou pour alimenter les clôtures électriques. Les exploitants agricoles, qui ne sont pas épargnés par la hausse des prix de leur facture d’énergie, peuvent également faire des économies et générer un revenu complémentaire grâce aux hangars solaires. Les bâtiments qui abritent les récoltes, le matériel ou les animaux, ont généralement de grandes toitures qui peuvent être recouvertes de panneaux photovoltaïques et avoir ainsi une double utilité.
Enfin, n’oublions pas le secteur énergétique en tant que tel. Les grandes centrales photovoltaïques peuvent produire de l’électricité en quantité importante. Et contrairement aux barrages hydrauliques ou aux éoliennes qu’on ne peut installer qu’à certains endroits, elles s’installent un peu partout, même dans des zones peu ensoleillées, afin d’alimenter des milliers de foyers en électricité verte, sans émission de gaz à effet de serre.
Les applications innovantes des cellules photovoltaïques
Nous avons déjà évoqué le fait que les cellules photovoltaïques peuvent être utilisées pour assurer l’alimentation des appareils dans des zones difficiles d’accès. Pour cela, il est possible de se servir des panneaux solaires portables. Ils sont légers, compacts et pliables pour faciliter le transport, et peuvent alimenter des équipements peu énergivores, tels que les smartphones, les ordinateurs portables, les lampes torches, les GPS. Ces dispositifs innovants s'avèrent utiles lors d’un séjour dans un camping, d’une sortie en mer, mais aussi pour divers usages professionnels.
Si les voitures 100 % solaires abordables et efficaces restent encore dans le domaine du fantastique, certains constructeurs commencent déjà à intégrer des cellules photovoltaïques sur le toit de leurs véhicules hybrides ou électriques afin d’augmenter leur autonomie. Notez également qu’en installant des panneaux photovoltaïques sur le toit de votre maison, vous pouvez non seulement vous en servir pour alimenter le réseau, mais aussi les raccorder à la borne de recharge de votre véhicule électrique.
Néanmoins, si l’on cherche un domaine qui utilise les technologies photovoltaïques de pointe, c’est dans l’espace qu’il faut aller. Les cellules photovoltaïques étaient utilisées pour alimenter en électricité les premiers engins spatiaux dès la fin des années cinquante, et aujourd’hui elles équipent la grande majorité des satellites, elles permettent de recharger les batteries de sondes pour les faire voyager toujours plus loin. Pour cela, la recherche spatiale se concentre sur les cellules solaires les plus innovantes et les plus efficaces, comme les cellules solaires multi-jonctions, capturant une large partie du spectre solaire et particulièrement résistant aux radiations. Notez en outre que hors atmosphère, l'énergie solaire est aussi fiable que l'énergie nucléaire. Dans l'espace, le rayonnement solaire est inaltéré et indépendant des saisons, ainsi que des conditions météorologiques. Cela fait que l'énergie disponible y est près de dix fois supérieure à celle captée sur Terre.
L'impact des cellules photovoltaïques sur l'avenir de l'énergie
Les nouvelles technologies promettent d’augmenter encore l’efficacité des cellules solaires et de réduire leur coût ce qui leur permettra de jouer un rôle encore plus important dans la transition vers une énergie plus propre et durable, ainsi que l’abandon définitif des énergies fossiles ayant un impact néfaste sur notre écosystème.
Certes, la fabrication des cellules photovoltaïques implique l’utilisation de différents matériaux, dont l’extraction et le raffinage ont des répercussions environnementales et sociales, mais de nombreuses entreprises adoptent désormais une approche plus responsable, notamment en recyclant et en améliorant les techniques de production avec des matériaux plus accessibles, moins toxiques, et des procédés de fabrication économiquement rentables, comme l’impression 3D. Des recherches sont menées pour résoudre des problèmes liés au rendement, à l’intermittence et à la fragilité des cellules photovoltaïques…
Quoi qu'il en soit, un tiers de la capacité mondiale de production d'électricité est aujourd'hui déjà basée sur les énergies renouvelables, et l’énergie solaire se place en tête de liste. Tous les pays ne sont toutefois pas égaux : si la Chine, les Etats Unis, le Japon ou l’Allemagne sont parmi les plus grands producteurs d’énergie solaire photovoltaïque, la France est globalement en retard sur ses objectifs, même si elle dispose globalement d’un fort potentiel et son ensoleillement est globalement un des meilleurs en Europe.
Néanmoins, la France prévoit de diminuer sa dépendance aux énergies fossiles dans les années à venir et d’augmenter de manière substantielle ses capacités de production d’énergie solaire, notamment grâce au développement des panneaux solaires sur les toits des particuliers, au développement de l’agrivoltaïsme (utilisation des panneaux solaires sur des terres agricoles) ou à l’installation des ombrières photovoltaïques sur les parkings.
La France a aussi pour ambition de réduire l’impact environnemental de l’industrie solaire (émissions de particules de silicium dans l’air, impact carbone, etc.) en produisant les cellules photovoltaïques sur son sol. Si les fabricants asiatiques dominent actuellement le marché de modules et panneaux solaires, la filière française devrait se déployer massivement d’ici 2030. Mais aujourd’hui déjà il est possible d’acheter des panneaux solaires produits par les entreprises françaises comme Photowatt, Voltec Solar ou encore DualSun, connu pour ses panneaux solaires hybrides capables de produire de l’électricité et de l’eau chaude sanitaire.
Pour résumer, les cellules photovoltaïques ont un bel avenir devant elles, en termes de rendement et de durabilité. Chaque jour de plus en plus performantes, elles possèdent un énorme potentiel de transformer notre façon de produire de l'électricité. Si vous vous intéressez à la production d'énergie propre et renouvelable, il est essentiel pour vous de comprendre leur fonctionnement, leurs applications et leur impact sur l'avenir énergétique plus durable et respectueux de l'environnement.
