C’est un petit carré plat et de surface lisse, qui tient dans la main. Bien souvent, il est d’aspect noir mat, ou présente au contraire de fins reflets bleutés : voilà comment se présente la cellule photovoltaïque. Vous le savez peut-être, il s’agit d’un composant essentiel au fonctionnement d’un panneau solaire, qui en compte en général un grand nombre. Et c’est tout naturel : sans cellule photovoltaïque, pas de transformation des rayons du soleil en électricité !
Toute seule, une cellule est assez forte pour faire fonctionner un petit objet électrique, comme une montre, une calculatrice ou un éclairage de jardin. Mais c’est une fois associées que les cellules solaires démontrent toute leur puissance ! Reliées en série à la surface d’un panneau solaire, il n’y a pas de limite à ce que les cellules photovoltaïques permettent d’alimenter : lampadaire, parcmètre, avion, satellite, etc. Mais comment une cellule photovoltaïque produit-elle de l’électricité ? Quel secret cachent ses fines couches de matériaux ? Quels avantages et inconvénients entre les différents types de cellules photovoltaïques ? Nous allons voir.
Avant tout, de quoi se compose une cellule photovoltaïque ? Dans la plupart des cas, une cellule photovoltaïque, ou solar cell en anglais, fonctionne avant tout grâce à son composé principal : le silicium. Il est obtenu à partir du silice, l’un des matériaux les plus communs de notre planète. On le trouve dans le sable ou le quartz.
Une cellule solaire est grosso modo composée de couches minces de silicium posées les unes sur les autres. Son épaisseur est de l’ordre du millimètre, pourtant c’est suffisant pour absorber les rayons du soleil et générer le contact électrique. Une cellule en silicium est aussi dotée d’une couche anti-reflets en surface.
La plupart des cellules photovoltaïques rencontrées dans le commerce sont issues de deux grandes familles :
Pour rappel, le rendement correspond à l’énergie produite par rapport à l’ensoleillement reçu. Retenez en deux mots que les panneaux solaires équipés de cellules monocristallines sont plus performants, ceux dotés de cellules polycristallines sont moins chers.
Il faut aussi ajouter le silicium amorphe. Plus léger et au rendement plus faible (environ 7 %), il est reconnaissable à son aspect gris foncé et est souvent composé d’un autre composé que le silicium : le cuivre indium. Un avantage intéressant : il est pliable et s’adapte donc à de nombreuses surfaces !
Maintenant que l’on sait de quoi une cellule photovoltaïque se compose, voyons comment elle fonctionne.
Imaginez : il fait jour, le soleil brille. Les rayons du soleil frappent le panneau solaire installé sur le toit de votre maison, celui-ci produit de l’électricité. Comment ça marche ? Au contact des cellules photovoltaïques, les photons qui composent les rayons sont absorbés. Lorsqu'un photon d'énergie suffisante frappe la cellule photovoltaïque, matériau semi-conducteur, il arrache un électron (charge négative) au silicium en surface et crée un trou dans le matériau (charge positive). C’est ce phénomène qui est à la base de la création du courant électrique, grâce au mouvement entre les deux charges. Une cellule photovoltaïque, c’est en fait un mini générateur électrique !
Découvert par Edmond Becquerel en 1839, l’effet photovoltaïque se produit lors de la circulation de courant sous l’effet de la lumière. À la base du principe de fonctionnement de la cellule photovoltaïque, l’effet photovoltaïque désigne la capacité que possèdent certains matériaux, notamment les semi-conducteurs composés de silicium, à convertir les composantes de la lumière du soleil (et non sa chaleur) en électricité.
Le mot “photovoltaïque” est bâti avec le grec ancien “photos” (lumière, clarté), suivi du patronyme d’Alessandro Volta, physicien italien qui a inventé la pile électrique en 1800. Le même qui a donné son nom à l’unité de mesure de la tension électrique, le volt. Il faut attendre 1883 pour que l’inventeur américain Charles Fritts donne naissance à la toute première cellule photovoltaïque. À l’époque, elle était notamment produite avec de l’or et, par conséquent, sa production était chère et son rendement faible : de l’ordre de 1 % seulement.
C'est en 1958 que la première application réelle des cellules photovoltaïques est trouvée, avec l'alimentation des émetteurs radio de Vanguard 1, le deuxième satellite lancé dans l’espace par la Nasa.
Une cellule photovoltaïque fonctionne grâce à l’effet photovoltaïque, qui est l’un des effets photoélectriques. Autrement dit, “photovoltaïque” signifie qu’il produit de l’électricité grâce à la lumière.
La puissance électrique obtenue est proportionnelle à la puissance lumineuse et elle dépend du rendement de la cellule. Celle-ci délivre une tension continue et un courant la traverse dès qu'elle est connectée à une charge électrique (en général un onduleur, parfois une simple batterie électrique).
La durée de vie d’un panneau solaire est souvent supérieure à 30 ans. Attention, cela ne signifie pas que les cellules photovoltaïques conservent leurs performances intactes. En général, du fait de l’usure du produit, les cellules se dégradent et perdent en rendement électrique au bout d’un certain nombre d’années. C’est pourquoi l’entretien de vos panneaux est primordial ! Un nettoyage régulier, c’est la clé d’un investissement à la hauteur. Chez EDF ENR, la performance des modules solaires est garantie 25 ans. Nos cellules photovoltaïques font preuve d’une belle résistance sur le long terme. Elles conservent 90 % de leurs performances jusqu’à 12 ans et 80 % jusqu’à 25 ans.
C’est connu : les modules solaires photovoltaïques sont aujourd’hui développés dans des applications très variées, afin d’alimenter des appareils lorsqu'il n'y a aucun réseau disponible (satellites, mer, montagne, désert, etc.), ou bien parce que le raccordement au réseau reviendrait trop cher par rapport à la puissance nécessaire (balises, horodateur, abribus, téléphone mobile, etc.). Si les appareils à alimenter sont tous différents, comment la puissance électrique peut-elle être adaptée à chaque fois ?
Autrement dit, comment être certain que mes appareils ne vont pas griller une fois connectés à la puissance électrique envoyée par mes cellules photovoltaïques ?
Il y aurait des raisons de s’inquiéter… seulement si le courant envoyé était en continu ! Or les cellules photovoltaïques transmettent l’électricité à des convertisseurs de tension, ou onduleurs, qui permettent de transformer ce courant continu en courant alternatif. De quoi alimenter les appareils domestiques classiques avec une tension de 230 V, c’est-à-dire une puissance classique.
Sur le marché, les meilleurs modèles sont les convertisseurs de tension Victron. Et il y en a pour toutes les bourses : comptez entre une centaine et 2 000 € de budget.
On l’a vu, les cellules photovoltaïques sont généralement créées à partir de silicium, de cuivre indium, de sélénium, etc. En revanche, ces dernières années, la recherche a permis d’explorer d’autres matériaux minéraux. Les scientifiques sont sur la piste d’alternatives aux cellules photovoltaïques traditionnelles, réalisées à partir de molécules organiques ou synthétiques. Quelles sont-elles ?
Un futur brillant, mais qui reste du domaine de l’hypothèse ! Pour l’instant, ces alternatives ne sont viables qu’en laboratoire et ne proposent qu’un rendement faible (environ 5 %). Patience, il y a fort à parier qu’elles seront les cellules photovoltaïques de demain.
Exposée à la lumière du soleil, la cellule photovoltaïque produit de l’électricité. Un principe que vous devriez avoir bien compris après la lecture de cet article, mais retenez aussi que la production d’énergie solaire a encore bien des secrets à livrer !
Alors que les tests en laboratoire génèrent des taux de rendement qui grimpent au plafond, la réalité est tout autre ! Alors pourquoi une cellule photovoltaïque n’offre-t-elle qu’un rendement électrique compris entre 6 et 30 % en moyenne ? Le rendement des cellules d’une installation solaire dépendent de nombreux facteurs tels que l’intensité lumineuse, l’inclinaison des panneaux, la température, l’entretien, le matériel, le suivi, etc. Une astuce ? Soyez attentif à ces points avant d’effectuer tout achat :
La bonne tenue des éléments qui composent votre installation : onduleur ou micro-onduleur, cellules photovoltaïques, câbles, compteur, etc. Assurez-vous d’acheter du matériel de qualité !
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