Les différents types de cellules photovoltaïques

Composée de semi-conducteurs, une cellule photovoltaïque absorbe l’énergie lumineuse et la transforme directement en courant électrique.

Une cellule individuelle, unité de base d’un système photovoltaïque, ne produit qu’une très faible puissance électrique, typiquement de 1 à 3 W avec une tension de moins d’un volt. Pour produire plus de puissance, les cellules sont assemblées pour former un module (ou panneau).

Les connections en série de plusieurs cellules augmentent la tension pour un même courant, tandis que la mise en parallèle accroît le courant en conservant la tension. Le courant de sortie, et donc la puissance, sera proportionnelle à la surface du module.

 

Les principales technologies de cellules solaires photovoltaïques


cellule solaire polycristalline

Cellule photovoltaïque polycristalline

Cellule en silicium polycristallin

Pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs cristaux. Ce genre de cellule est également bleu, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux.

  • Avantages :
  • Bon rendement (environ 100 Wc/m²)
  • Durée de vie importante (+/- 30 ans)
  • Moins cher que le monocristallin
  • Inconvénients :
  • Rendement faible sous un faible éclairement

Rendement module commercial : 11 à 15%
Rendement record en laboratoire : environ 20%

Ces cellules ont pour l’instant le meilleur rapport qualité / prix


cellule solaire monocristalline

Cellule photovoltaïque monocristalline

Cellule en silicium monocristallin

Lors du refroidissement, le silicium fondu se solidifie en ne formant qu’un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d’un bleu uniforme.

  • Avantages :
  • Meilleur rendement que le polycristallin (environ 150 Wc/m²)
  • Durée de vie importante (+/- 30 ans)
  • Inconvénients :
  • Plus cher que le polycristallin
  • Rendement faible sous un faible éclairement

Rendement module commercial : 12 à 20%
Rendement record en laboratoire : environ 25%

Coût plus élevé que le polycristallin


cellule solaire amorphe

Cellule photovoltaïque amorphe

Cellule silicium amorphe en couche mince

Le silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projeté sur une feuille de verre. La cellule est gris très foncé ou marron. C’est la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires".

  • Avantages :
  • Fonctionnent avec un éclairement faible
  • Bon marché par rapport aux autres types de cellules
  • Moins sensible aux températures élevées
  • Souple
  • Inconvénients :
  • Rendement faible en plein soleil (environ 60 Wc/m²), les cellules en couche mince nécessite une surface plus importante pour atteindre les mêmes rendements que les cellules épaisses
  • Durée de vie courte (+/- 10 ans), performances qui diminuent sensiblement avec le temps

Rendement faible : 5 à 9%
Rendement record en laboratoire : environ 13,4%

Ces cellules à faible rendement peuvent fonctionner en intérieur, elles sont principalement utilisées pour des applications à faible puissance (ex : calculatrice)


cellule photovoltaïque à base de cuivre CIS / CIGS

Cellule photovoltaïque en couche mince à base de cuivre

Cellule sans silicium en couche mince CIS / CIGS

Les cellules CIS représentent une nouvelle génération de cellules solaires sous forme de films minces, de type CIS (cuivre, indium, sélénium) ou CIGS (cuivre, indium, gallium et sélénium). Les matières premières nécessaires à la fabrication de ces cellules sont plus faciles à se procurer que le silicium utilisé dans les cellules photovoltaïques classiques (bien que ce dernier soit déjà très abondant sur terre). De plus, leur efficacité de conversion énergétique est la plus élevée à ce jour pour des cellules photovoltaïques en couche mince.

  • Avantages :
  • Meilleurs rendements par rapport aux autres cellules photovoltaïques en couche mince
  • La cellule peut être construite sur un substrat flexible
  • Inconvénients :
  • Les cellules en couche mince ont un rendement plus faible que les cellules "épaisses"

Rendement module commercial : 9 à 11%
Rendement record en laboratoire : environ 19,3%

Suite aux investissements massifs dans les cellules "traditionnelles" (silicium) au début des années 2000 qui a entraîné une baisse importante des coûts de fabrication, les cellules sans silicium en couche mince ont perdu leur avantage concurentiel.


Cellule photovoltaïque multijonction

© Spectrolab - cellule multijonction

Cellule multijonction

Les cellules multi-jonction sont composées de différentes couches qui permettent de convertir différentes parties du spectre solaire et ainsi d’obtenir les meilleurs rendements de conversion.

  • Avantages
  • Rendement inégalé
  • Inconvénients
  • Pas ou peu d’applications commerciales

Rendement record en laboratoire : environ 40% (sous une concentration de 240 soleils)

Développé pour les applications spatiales, ce type de cellule n’est pas encore commercialisable

Exemples de projets & installations : Les différents types de cellules photovoltaïques

Une cellule solaire CZTS en laboratoire @Empa @Phys.org

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Cellule solaire CZTS : cuivre zinc etain soufre (innovation 2016)

Les cellules photovoltaïques CZTS, aussi minces qu’une pellicule de film - moins de 5 µm d’épaisseur - sont fabriquées en appliquant une mince couche de matériau contenant cuivre, zinc, étain et soufre, sur un support comme le verre ou le plastique, qui a l'avantage d'être flexible.

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La cellule solaire photovoltaïque développée par l'université du Michigan (USA) - crédit : umich.edu

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Depuis 2011, des cellules solaires transparentes ont été développées. Encore expérimentales, ces technologies pourraient être utilisées dans de nombreuses applications : vitrage solaire, écran de téléphones portables, automobile…

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