Avenir Photovoltaique

Rayonnement solaire et cellule photovoltaïque

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Le rayonnement solaire subi plusieurs « filtrations »

Le rayonnement solaire est l’ensemble du rayonnement émis par le Soleil. En plus des rayons cosmiques, particules animées d’une vitesse et d’une énergie extrêmement élevées, le Soleil émet des ondes électromagnétiques dont le spectre s’étend des ondes radio aux rayons gamma, en passant par la lumière visible. L’émission d’ondes électromagnétiques par le Soleil est bien modélisée par un corps noir à 5800 Kelvin, donc par la loi de Planck. Le pic d’émission est dans le jaune (λ=570 nm), et la répartition du rayonnement est à peu près pour moitié dans la lumière visible, pour moitié dans l’infrarouge, avec 1% d’ultraviolets. Arrivé au niveau de la mer, c’est-à-dire ayant traversé toute l’atmosphère terrestre, le rayonnement solaire a subi plusieurs « filtrations ». On peut repérer notamment sur le spectre ci-contre les bandes d’absorption de l’ozone (connu pour stopper une bonne partie des ultraviolets), du dioxygène, du dioxyde de carbone et de l’eau.

Les technologies du photovoltaïque

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière, génère de l’électricité. La plupart du temps, les cellules sont regroupées dans des modules ou panneaux photovoltaïques. Il existe plusieurs familles de cellules photovoltaïques. Actuellement, les plus répandues sur le marché sont les cellules en silicium cristallin et les cellules en couches minces. D’autres en sont au stade de la Recherche et Développement.

Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque

Le fonctionnement est similaire à l’effet photoélectrique. Il demande un rayonnement moins énergétique. Il fonctionne bien avec le rayonnement solaire même diffus sous une couche de nuages. Le matériau d’une cellule photovoltaïque est un semi conducteur. Il est composé de deux couches. Les photons libèrent un électron dans la première couche et un trou chargé positivement dans la deuxième couche. Les charges ainsi crées sont canalisées pour fournir un courant électrique. Les cellules en silicium cristallin Ce type de cellules est constitué de fines plaques de silicium, un élément chimique très abondant et qui s’extrait notamment du sable ou du quartz. Le silicium est obtenu à partir d’un seul cristal ou de plusieurs cristaux: on parle alors de cellules monocristallines ou multicristallines. Les cellules en silicium cristallin sont d’un bon rendement (de 14 à 15% pour le multicristallin et de près de 16 à 19% pour le monocristallin). Elles représentent plus de 90% du marché actuel.

Les cellules en couches minces

Les cellules en couches minces sont fabriquées en déposant une ou plusieurs couches semi‐conductrices sur un support de verre, de plastique, d’acier Cette technologie permet de diminuer de coût de fabrication mais son rendement est inférieur à celui des cellules au silicium cristallin (il est de l’ordre de 5 à 13%) Les cellules en couches minces les plus répandues sont en silicium amorphe, composées de silicium projeté sur un matériel souple. La technologie des cellules en couches minces connaît actuellement un fort développement, sa part de marché étant passée de 2% il y a quelques années à plus de 10% aujourd’hui.

Cellule photovoltaïque tandem

Empilement monolithique de deux cellules simples. En combinant deux cellules (couche mince de silicium amorphe sur silicium cristallin par exemple) absorbant dans des domaines spectraux se chevauchant, on améliore le rendement théorique par rapport à des cellules simples distinctes, qu’elles soient amorphes, cristallines ou microcristallines. Avantage : o sensibilité élevée sur une large plage de longueur d’onde. Excellent rendement. Inconvénient : o coût élevé dû à la superposition de deux cellules.

Les autres types de cellules

Les cellules à concentration: elles sont placées au sein d’un foyer optique qui concentre la lumière Leur rendement est élevé ‘de l’ordre de 20 à 30%) mais elles doivent absolument être placées sur un support mobile afin d’être constamment positionnées face au soleil.
Les cellules organiques : composées de semi‐conducteurs organiques déposés sur un substrat plastique ou de verre , ces cellules encore au stade expérimental offrent un rendement moyennement élevé ‘de l’ordre de 5 à 10%) mais présentent des perspectives intéressantes de réduction des coûts.
Les cellules multicouches : Ces cellules photovoltaïques sont multicouches c’est à dire un empilement de plusieurs cellules photovoltaïques convertissant différentes parties du spectre solaire (la cellule du haut convertit les photons les plus énergétiques, celle du milieu convertit les photons moyennement énergétiques, tandis que la cellule du bas convertit les grandes longueurs d’ondes, correspondant aux photons les moins énergétiques). Cette technologie permet d’optimiser l’absorption du flux solaire par la cellule photovoltaïque, et ainsi d’accroître son rendement de conversion de manière significative. De plus ces cellules sont à concentration, c’est-à-dire que le flux d’énergie dégagée par la lumière du soleil est concentré grâce à un effet loupe ce qui améliore considérablement les capacités de la cellule photovoltaïque. La communauté scientifique s’efforce depuis des décennies de trouver divers moyens d’accroître l’efficacité des panneaux solaires photovoltaïques dont les taux de conversion gravitent actuellement entre 15% et 20%.

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