Panneaux photovoltaïques et solaires

Cellule photovoltaïque : fonctionnement, types, rendement

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Cellule photovoltaique

Le fonctionnement des panneaux solaires repose sur un élément principal : la cellule photovoltaïque. Ces petits carrés, qui forment les modules photovoltaïques, ont l’incroyable capacité de pouvoir transformer la lumière du soleil en électricité. Nous allons ici vous expliquer tout ce que vous devez connaître sur la cellule photovoltaïque : ses caractéristiques, son fonctionnement, les différents types de cellules qui existent. Nous allons également nous pencher en détail sur un élément important : son rendement, essentiel à connaître lorsque vous vous lancez dans un projet solaire.

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Qu’est-ce qu’une cellule photovoltaïque ?

Les cellules photovoltaïques sont des éléments qui forment les panneaux solaires. Ce sont des composants électroniques qui produisent de l’électricité à partir des rayons du soleil. Elles sont très fines (environ 200 μm), mais une toute petite quantité suffit pour les fabriquer. Il y a entre 60 et 72 cellules photovoltaïques sur chaque panneau solaire.

 

Les caractéristiques de la cellule photovoltaïque

En quoi est-elle fabriquée ?

Pour fabriquer une cellule photovoltaïque, on utilise des matériaux semi-conducteurs, qui sont des isolants électriques, mais qui permettent tout de même aux électrons de produire du courant. Le silicium est le matériau le plus fréquemment utilisé pour fabriquer des cellules photovoltaïques.

Le silicium présente de nombreux avantages : il est très abondant et facile à extraire (on le trouve dans le sable et le quartz). Il est également facilement recyclable. Dans de rares cas, d’autres matériaux sont utilisés pour la fabrication des cellules photovoltaïques : le séléniure de cuivre d’indium et de gallium, le séléniure de cuivre-indium, le tellurure cadmium, ou encore la pérovskite. Ces matériaux restent très peu utilisés pour le moment, mais beaucoup de recherches scientifiques s’y intéressent.

Comment les cellules photovoltaïques fonctionnent-elles ?

Pour expliquer le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque, il faut reprendre quelques notions de physique. Le silicium, matériau principal de la cellule, est composé d’atomes. Ces atomes sont eux-mêmes composés d’un noyau et d’électrons qui gravitent autour de celui-ci.

Lorsque les électrons du silicium se retrouvent en contact de photons (particules de la lumière du soleil), ils s’agitent. Afin qu’ils circulent de façon à créer un courant électrique, il est nécessaire d’avoir un pôle positif et un pôle négatif, comme sur les piles électriques. Pour cela, le silicium est associé au bore pour obtenir le pôle positif, et au phosphore pour le pôle négatif (c’est le côté qui est face au soleil).

Grâce à ce système de pôles positif et négatif, les électrons se déplacent de façon naturelle entre les deux afin de rééquilibrer les charges. Cela crée un courant électrique.

 

Les différents types de cellules photovoltaïques

Il existe différentes sortes de cellules photovoltaïques. Même si elles fonctionnent globalement de la même manière, elles ont chacune leurs spécificités.

Les cellules en silicium monocristallin

On reconnaît les cellules monocristallines grâce à leur couleur très foncée. Il s’agit d’un seul cristal de silicium. Au sein d’un même module solaire, tous les cristaux de silicium sont orientés dans le même sens. Le rendement de ce matériau est supérieur à celui du silicium polycristallin, mais il est également vendu plus cher, car sa fabrication est plus délicate.

cellules photovoltaïques

Les cellules en silicium polycristallin

On reconnaît ces cellules à leur couleur bleutée. Elles sont composées de cristaux orientés dans différentes directions : c’est la raison pour laquelle leur couleur n’est pas homogène. À l’échelle mondiale, c’est le matériau photovoltaïque le plus utilisé, car il offre à ce jour le meilleur rapport qualité/prix. Les coûts de fabrication sont en effet inférieurs au silicium monocristallin.

L’inconvénient majeur des cellules en silicium polycristallin est qu’elles ont un rendement inférieur à celle en silicium monocristallin. De ce fait, il est nécessaire d’en installer davantage pour produire une même quantité d’énergie.

Cellules photovoltaïques

Les cellules au silicium amorphe en couche mince

Il existe également des cellules au silicium amorphe, généralement de couleur marron ou gris foncé. Elles sont bien plus fines que les cellules en silicium cristallin (quelques microns seulement). C’est une technologie utilisée depuis longtemps dans les petites calculatrices, mais leur rendement reste très faible. Elles ont aussi une durée de vie plus faible que les autres types de cellules : une dizaine d’années seulement, contre une trentaine pour le silicium monocristallin et polycristallin.

Les autres types de cellules photovoltaïques

Nous venons de vous présenter les trois types de cellules photovoltaïques les plus couramment utilisés. Il en existe d’autres, qui ne sont pas très exploitées, car encore majoritairement à l’état de recherche :

  • Les cellules organiques ne sont pas des minéraux semi-conducteurs comme le silicium. Elles sont au contraire fondées sur des molécules ou des polymères de la chimie organique. Bien qu’elles commencent à connaître quelques applications, le rendement qu’elles produisent reste encore trop faible. Leur stabilité à long terme n’est pas non plus satisfaisante. Leur avantage est qu’elles pourraient en théorie être produites à bas coûts, comparé aux cellules au silicium.
  • Les pérovskites sont un nouveau type de cellules, fondées sur un matériau hybride : une partie est organique, l’autre est inorganique. Leur rendement en laboratoire est assez prometteur, mais leur instabilité est aujourd’hui un frein à leur industrialisation. Leurs avantages seraient un coût de production bas, des cellules légères, souples et maniables, permettant d’être intégrées à différents types de revêtement.
cellules photovoltaiques

Quel est le rendement d’une cellule photovoltaïque ?

Le rendement d’une cellule photovoltaïque correspond au rapport entre la quantité d’énergie lumineuse transformée en électricité et la quantité d’énergie qui a été captée par le système. Il s’agit donc d’un pourcentage qui permet d’évaluer l’efficacité des cellules photovoltaïques. Plus ce pourcentage est élevé, plus la cellule produit d’électricité.

Les cellules qui ont le moins bon rendement sont celles au silicium amorphe : il est compris entre 6 % et 9 %.

Les cellules en silicium polycristallin ont un rendement situé entre 13 % et 18 %.

Enfin, les cellules ayant le meilleur rendement sont celles au silicium monocristallin, pour un rendement situé entre 16 % et 24 %.

Certains facteurs, autres que la technologie utilisée, peuvent avoir un impact sur le rendement d’une cellule photovoltaïque. C’est le cas par exemple de l’orientation et de l’inclinaison des panneaux solaires, de la zone géographique d’implantation ou encore de la présence de zone ombragée sur le toit. Pour rappel, un rendement optimal est possible avec une orientation sud, une inclinaison à 30°, une région ensoleillée et aucune zone d’ombre sur les panneaux (branches d’arbres ou bâtiments).

Le prix d’installation des cellules photovoltaïques

Plus les cellules sont puissantes, plus vous produisez d’électricité… mais plus leur installation est chère. Afin de déterminer la puissance qu’il vous faut, commencez par définir précisément vos besoins réels. Ceux-ci dépendent de vos équipements électriques, du nombre de personnes qui composent votre foyer, de la taille de votre logement, etc. La puissance de votre installation peut également être différente en fonction de vos objectifs : ils ne seront pas forcément les mêmes si vous souhaitez être en autoconsommation ou si vous souhaitez faire de la revente totale.

Pour chiffrer le coût total d’une installation photovoltaïque, il faut prendre en compte plusieurs choses : l’étude préalable au projet, le matériel, sa pose et le raccordement au réseau. En se basant sur les chiffres de l’INC, il faut compter entre 10 000 € et 12 000 € TTC pour une installation photovoltaïque d’une puissance de 3 kWc (1). Engie propose un package clés en main au prix de 7 000 € TTC.

 

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Si vous avez bien suivi, vous savez à présent que les cellules photovoltaïques représentent un élément essentiel du panneau solaire. C’est un composant électrique qui permet de produire de l’électricité au contact des rayons du soleil. Il en existe différents types, mais les plus couramment utilisés sont le silicium monocristallin (noir) et le silicium polycristallin (bleuté). Le rendement et le prix d’achat variables sont en fonction du type de cellule choisi. Pour un rendement optimal de vos cellules photovoltaïques, le plus important reste de les orienter au sud et de les incliner à 30°.

 

Mentions légales

(1)  http://www.ademe.fr/entreprises-monde-agricole/reduire-impacts/produire-utiliser-energies-renouvelables/energies-renouvelables-electriques/dossier/production-delectricite/solaire-photovoltaique

Quel type de courant produisent les cellules photovoltaïques ?

Les cellules photovoltaïques produisent uniquement du courant continu. Ce type de courant n’est pas utilisable pour votre usage quotidien, il est donc nécessaire de le transformer en courant alternatif, afin d’alimenter vos appareils électriques. Cela est possible grâce à un onduleur solaire.

Quels sont les autres composants d’un panneau solaire ?

Nous avons vu que les cellules sont composées la plupart du temps de silicium cristallin. Mais d’autres matériaux composent les panneaux solaires. Tout d’abord, ils sont composés de 75 % à 80 % de verre. Le cadre qui entoure les panneaux est en aluminium. Des films plastiques transparents sont situés à la surface des cellules. Le cuivre et l’argent servent de connecteurs sur les cellules. La particularité de tous ces matériaux est qu’ils se recyclent tous très bien ! C’est la raison pour laquelle les panneaux solaires sont facilement recyclables.

Quelle est la puissance d’une cellule photovoltaïque ?

La puissance d’une cellule photovoltaïque se mesure en watt-crête (Wc) ou plus communément en kilowatt-crête (kWc). Il s’agit de la puissance électrique d’une cellule, qui permet d’estimer le potentiel de production d’une installation photovoltaïque. La puissance de chaque cellule dépend de son type : celles en silicium monocristallins seront, par exemple, bien plus puissantes que celles en silicium amorphe.