Cellule photovoltaique : principe, technologies et performances
Sans cellule photovoltaïque, pas d’électricité solaire ! Découvrez comment ces moteurs des panneaux solaires transforment la lumière en énergie et les innovations prometteuses qui révolutionneront bientôt nos foyers.
Sommaire
- Cellule photovoltaique définition
- Qu’est-ce que l’effet photovoltaïque ?
- Le fonctionnement d’une cellule photovoltaique
- Comment une cellule photovoltaique produit de l’électricité : les différents matériaux utilisés
- Cellule photovoltaique : les nouvelles technologies en cours de développement
- Cellule photovoltaique : rendement
- Prix cellule photovoltaique
- Conclusion
Cellule photovoltaique définition
La cellule photovoltaïque est un composant électronique qui produit de l’électricité grâce à la lumière du soleil.
Aussi appelée cellule solaire, c’est le “moteur” du panneau photovoltaïque.
Elle est composée d’un assemblage de matériaux semi-conducteurs qui réagissent à la lumière du soleil pour produire une puissance électrique directement utilisable chez soi.
En fonction de la technologie solaire employée, la cellule solaire est capable de convertir plus ou moins du rayonnement en électricité.
Ce procédé est rendu possible par l’effet photovoltaïque.
Qu’est-ce que l’effet photovoltaïque ?
C’est un phénomène physique découvert en 1839 par le français Edmond Becquerel.
L’effet photovoltaïque désigne la capacité qu’on certains matériaux à convertir la lumière du soleil en électricité (et non de la chaleur).
Comment est-ce possible sur la cellule solaire ? Replongeons dans nos cours de physique-chimique.
Pas d’inquiétude, c’est simple à comprendre.
Le fonctionnement d’une cellule photovoltaique
Côté cellule photovoltaïque, le matériau semi-conducteur est composé d’atomes, lui-même composé d’un noyau et d’électrons.
Côté soleil, sa lumière est constituée de particules appelées photons.
Lorsque les électrons se retrouvent en contact avec les photons, ils s’agitent !
Cette effervescence crée un courant électrique continu, grâce à un système de pôles positif et négatif (comme sur les piles), présent sur les cellules solaires.
Mieux qu’un pdf, découvrez en vidéo les principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque :
L’effet photovoltaïque est exploité dans les cellules solaires, qui sont les composants de base des panneaux photovoltaïques.
Un panneau solaire n’est en réalité que l’assemblage de plusieurs cellules photovoltaïques reliées entre elles..
Chaque panneau solaire de votre installation est relié à un onduleur.
Cet appareil est indispensable.
C’est lui qui transforme le courant électrique continu en courant alternatif, compatible avec le réseau électrique.
Il est ainsi possible :
- d’alimenter les appareils électriques à l’intérieur de la maison ;
- d’injecter une partie ou la totalité de l’électricité produite sur le réseau.
Comment une cellule photovoltaique produit de l’électricité : les différents matériaux utilisés
Aujourd’hui, le silicium cristallin est le matériau semi-conducteur le plus utilisé dans la fabrication des cellules photovoltaïques.
Il est obtenu à partir du silice, un matériau que l’on retrouve dans le sable et le quartz.
Cellule photovoltaique en silicium monocristallin
Les cellules en silicium monocristallin équipent les panneaux solaires monocristallins.
Composées d’un seul cristal de silicium, elles sont facilement reconnaissables grâce à leur couleur uniforme.
Elles peuvent être noires, comme le panneau solaire full black, ou bleu foncé.
C’est grâce à sa structure homogène et régulière que le silicium monocristallin apporte une grande efficacité.
Il offre un meilleur rendement que son homologue polycristallin.
On estime ainsi qu’en fonction de la technologie, une cellule photovoltaïque peut convertir entre 17 et 24% du rayonnement en électricité.
Actuellement, plusieurs technologies de cellules photovoltaïques monocristallines sont disponibles, comme les cellules PERC, TOPcon ou encore à hétérojonction.
Cellule photovoltaique en silicium polycristallin
Les cellules en silicium polycristallin équipent les panneaux photovoltaïques polycristallins.
Leur fabrication est différente, puisqu’elles sont composées de plusieurs cristaux de silicium. Ce qui donne leur couleur bleue non uniforme.
Moins performantes que leurs homologues monocristallines, les cellules polycristallines ne sont presque plus posées aujourd’hui pour les particuliers qui souhaitent installer des panneaux solaires sur leur toiture.
Cellule photovoltaique en silicium amorphe en couche mince
Fabriquées en déposant une fine couche de silicium, elles sont légères, flexibles et plus économiques que les cellules en silicium cristallin.
Leur grand point faible ? Leur rendement et leur durée de vie sont beaucoup plus faibles.
Elles sont donc surtout utilisées pour les calculatrices ou de petits appareils portables.
Cellule photovoltaique : les nouvelles technologies en cours de développement
Les cellules solaires aux pérovskites
Cette innovation utilise la structure cristalline de la pérovskite pour absorber la lumière solaire et la convertir en électricité.
La pérovskite peut être légèrement transparente. Elle présente un aspect métallique et une couleur noire ou brun-rouge.
À ne pas confondre avec le panneau solaire rouge, sur lequel on applique un adhésif rouge lors de la fabrication.
Considérée comme révolutionnaire dans le monde de l’énergie solaire, son arrivée sur le marché est très attendue !
En effet, les cellules solaires aux pérovskites offrent :
- Un rendement énergétique supérieur à l’ensemble des panneaux solaires actuels ;
- Une grande flexibilité permettant de concevoir des panneaux plus légers, plus fins et potentiellement semi-transparents ;
De nouvelles applications peuvent être ainsi développées, comme l’intégration des panneaux photovoltaïques à des surfaces courbées ou vitrées.
Cependant, les chercheurs planchent pour résoudre des défis majeurs :
- Améliorer la stabilité et la durabilité de ces panneaux ;
- Trouver une alternative à l’utilisation du plomb, un élément toxique pour l’environnement et notre santé.
Les cellules organiques
Cette technologie se base sur des matériaux organiques, comme des molécules carbonées et/ou des polymères, pour transformer la lumière en électricité.
Encore peu utilisées en France, surtout pour des règles d’urbanisme, ces nouvelles cellules promettent :
- Un coût de fabrication moindre : le prix final du panneau solaire diminue ;
- Plus de flexibilité et de légèreté : ce qui permet de les adapter plus facilement aux surfaces ;
- Moins sensible à la chaleur : ce qui offre un rendement stable, même sur des parois vitrées, notamment avec des températures très élevées (+25°C).
Les cellules tandem
Ce terme est largement utilisé pour parler de l’association de plusieurs technologies.
Cette convergence porte surtout sur une combinaison de la pérovskite en couche mince et du silicium.
Bien qu’encore au stade de recherche, ces cellules battent des records de rendement d’année en année.
Les progrès réalisés sont considérables grâce à :
- L’optimisation de la production d’électricité avec un rendement supérieur ;
- La réduction de la surface de panneaux solaires ;
- La garantie de la stabilité et de la fiabilité des matériaux utilisés.
Aujourd’hui, leur coût de production reste encore élevé pour une commercialisation à grande échelle.
Affaire à suivre !
Cellule photovoltaique : rendement
Exprimé en pourcentage, le rendement correspond au rapport entre la quantité d’énergie produite et reçue par le panneau solaire.
En bref, c’est la quantité de lumière solaire convertie en électricité par l’installation.
Voici un tableau récapitulatif pour comparer les caractéristiques et le rendement de chaque type de cellule photovoltaïque :
| Type de cellule | Rendement moyen* | Commercialisation | Durée de vie | Support | Usage |
|---|---|---|---|---|---|
| Silicium monocristallin | Entre 16% et 24%. | Oui. | Plus de 25 ans. | Rigide. | Projets résidentiels : toiture, sol. |
| Silicium polycristallin | Entre 14% et 18%. | Oui. | Plus de 25 ans. | Rigide. | Grands projets : toiture, sol. |
| Silicium amorphe en couche mince | Entre 4% et 10%. | Oui. | Une dizaine d’années. | Flexible. | Calculatrices et dispositifs portables. |
| Pérovskite | Entre 25% et 30%. | Non, en cours de recherche. | Moins de 10 ans. | Rigide ou flexible. | Projets résidentiels : toiture, sol, surfaces vitrées et courbées. |
| Organiques | Entre 8% et 12%. | Non, en cours de recherche. | Moins de 10 ans. | Flexible. | Projets résidentiels : toiture, sol, surfaces vitrées et courbées. |
| Tandem | Environ 30%. | Non, en cours de recherche. | Plus de 25 ans (en test). | Rigide ou flexible. | Projets résidentiels : toiture, sol, surfaces vitrées et courbées. |
Aujourd’hui, les cellules solaires monocristallines restent les plus performantes du marché.
Prix cellule photovoltaique
Donner un prix à la cellule unitaire est abstrait. Il est plus intéressant de partager le tarif d’une installation solaire.
Évidemment, il diffère en fonction de la technologie et du matériel utilisés, du type de pose et de la complexité du chantier.
Ce tableau détaille les prix selon la puissance d’installation. Ils correspondent aux cellules monocristallines TOPcon, la technologie la plus aboutie actuellement sur le marché.
| Puissance | Prix d’une installation photovoltaïque Dualsun1,2 |
|---|---|
| 3 kilowatt-crêtes | Entre 6.500 et 8.500 € TTC |
| 6 kilowatt-crêtes | Entre 11.000 et 14.500 € TTC |
| 9 kilowatt-crêtes | Entre 16.500 et 22.000 € TTC |
Conclusion
Les cellules photovoltaïques, véritable cœur des panneaux solaires, exploitent l’effet photovoltaïque pour convertir la lumière en électricité.
Aujourd’hui :
- Les cellules en silicium monocristallin et polycristallin dominent le marché ;
- Les cellules en silicium monocristallin offrent le meilleur rendement ;
- Des innovations, comme les cellules aux pérovskites ou tandem, promettent des avancées majeures en termes d’efficacité et de flexibilité.
FAQ
Cellule photovoltaïque
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Quel est le rôle d’une cellule photovoltaïque ?
Le rôle d’une cellule photovoltaïque est de capter la lumière du soleil et de la convertir en énergie électrique. Ce phénomène physique est possible grâce à l’effet photovoltaïque, une caractéristique possédée par les matériaux semi-conducteurs.
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Quelle cellule photovoltaïque a le rendement le plus élevé ?
Aujourd’hui sur le marché, la cellule au silicium monocristallin offre le meilleur rendement. Au stade de recherches, des innovations sont prometteuses, comme les cellules au pérovskite ou les cellules tandem. Les derniers tests en laboratoire montrent un rendement respectif aux alentours de 30%.
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Comment fonctionne une cellule solaire photovoltaïque ?
La cellule photovoltaïque est composée de matériaux semi-conducteurs capables de transformer la lumière du soleil en courant continu. Cette transformation a lieu grâce à l’effet photovoltaïque découvert par un Français en 1839 !
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