Cellule photovoltaïque 1404739 31815842 2008-07-23T12:01:46Z 85.189.64.231 /* Recherche et développement */ [[Image:4inch poly solar cell.jpg|thumb|cellule photovoltaïque 4 pouces]] [[Image:Millwoodsolar.jpg|thumb|Champ de panneaux photovoltaïques, composés de cellules]] Une '''cellule photovoltaïque''' (ou « photo-galvanique ») est un [[composant électronique]] qui, exposé à la [[lumière]] ([[photon]]s), génère une [[Tension électrique|tension]] électrique (de l'ordre d'un demi [[volt]]) : cet effet est appelé l'effet photovoltaïque. Le [[Courant électrique|courant]] obtenu est un courant continu. Les cellules photovoltaïques sont constituées de [[semi-conducteur]]s, principalement à base de [[silicium]] (Si) (plus rarement d'autre semi-conducteurs : [[sulfure de cadmium]] (CdS), [[tellurure de cadmium]] (CdTe), etc.). Elles se présentent sous la forme de fines plaques, rondes ou carrées, d'une dizaine de centimètres de coté, prises en sandwich entre deux [[électrode|contacts]] métalliques, pour une épaisseur de l'ordre du millimètre. Des batteries de cellules sont réunies dans des [[module solaire photovoltaïque]] (ou "panneau solaire"), en fonction de la puissance recherchée. == Principe de fonctionnement == {{voir aussi|photodiode}} Dans un [[semi-conducteur]] exposé à la lumière, un [[photon]] d'énergie suffisante arrache un [[électron]], créant au passage un "[[Trou d'électron|trou]]". Normalement, l'électron trouve rapidement un trou pour se replacer, et l'énergie apportée par le photon est ainsi dissipée. Le principe d'une cellule photovoltaïque est de forcer les électrons et les trous à se diriger chacun vers une face opposée du matériau au lieu de se recombiner simplement en son sein : ainsi, il apparaitra une tension entre les deux faces, comme une pile. Pour cela, on s'arrange pour créer un champs électrique permanent au moyen d'une [[Semi-conducteur#Jonction P-N|jonction PN]], entre deux couches [[Dopage (semi-conducteur)#Dopage de type N et de type P|dopées respectivement P et N]]: [[Image:CellStructure-SiCrystal-eng.PNG|right|300px|thumb|Structure d'une cellule photovoltaïque]] * La couche supérieure de la cellule est composée de silicium [[Dopage (semi-conducteur)#Dopage de type N et de type P|dopé N]]<ref>une petite proportion des atomes de silicium est remplacée par un élément de [[valence (chimie)|valence]] supérieure dans la [[classification périodique]], c’est-à-dire qui possède plus d'[[électron]]s sur sa [[couche de valence]] que le silicium. Le silicium possède 4 électrons sur sa couche de valence : on peut donc utiliser des éléments de la [[Pnictogène|colonne 15]], par exemple le [[Phosphore]].</ref>. Dans cette couche, il existe une quantité d'électrons libres supérieure à une couche de silicium pur, d'où l'appellation de dopage N, comme négatif (charge de l'électron). Le matériau reste électriquement neutre : c'est le réseau cristallin qui supporte globalement une charge positive. * La couche inférieure de la cellule est composée de silicium [[Dopage (semi-conducteur)#Dopage de type N et de type P|dopé P]]<ref>par un élément de [[Valence (chimie)|valence]] inférieure au silicium. Il peut s'agir de [[Bore]] (B) ou d'un autre élément de la [[Éléments du groupe 13|colonne 13]].</ref>. Cette couche possèdera donc en moyenne une quantité d'électrons libres inférieure à une couche de silicium pur, les électrons sont liés au réseau cristalin qui, en conséquence, est chargé négativement. La conduction électrique est assurée par des trous, positifs (P). Au moment de la création de la [[Semi-conducteur#Jonction P-N|jonction P-N]], les électrons libres de la région N rentrent dans la couche P et vont se recombiner avec les trous de la région P. Il existera ainsi, pendant toute la vie de la jonction, une charge ''positive'' de la région N au bord de la jonction (parce que les électrons en sont partis) et une charge ''négative'' dans la région P au bord de la jonction (parce que les trous en ont disparu) ; l'ensemble forme la Zone de Charge d'Espace ( ZCE ) et il existe un [[champ électrique]] entre les deux, de N vers P. Ce champs électrique fait de la ZCE une [[diode]], qui ne permet le passage du courant que dans un sens : les électrons peuvent passer de la région P vers la région N, mais pas en sens inverse ; inversement les trous ne passent que de N vers P. En fonctionnement, quand un photon arrache un électron à la matrice, créant un électron libre et un trou, sous l'effet de ce champs électrique ils partent chacun à l'opposé : les électrons s'accumulent dans la région N (qui devient le pôle "-" ), tandis que les trous s'accumulent dans la couche dopé P (qui devient le pôle "+" ). Ce phénomène est plus efficace dans la ZCE, où il n'y a pratiquement plus de porteurs de charges (électrons ou trous) puisqu'ils se sont annihilés, ou à la proximité immédiate de la ZCE : lorsqu'un photon y crée une paire électron-trou, ils se séparent et ont peu de chance de rencontrer leur opposé, alors que si la création a lieu plus loin de la jonction, l'électron (resp. le trou) nouveau conserve une grande chance de se recombiner avant d'atteindre la zone N (resp. la zone P). Mais la ZCE est forcément très mince, aussi n'est-il pas utile de donner une grande épaisseur à la cellule<ref>On peut, en revanche, lui donner une forme ondulée, comme sur l'exemple : le volume actif est augmenté</ref>. En somme, une cellule photovoltaïque est un [[générateur électrique#Générateur de courant|générateur de courant]] auquel on a adjoint une [[diode]]. Il faut ajouter des contacts électrique (qui laissent passer la lumière en face éclairée : en pratique, on utilise un contact par une grille), une couche [[antireflet]] pour assurer une bonne absorption des photons, etc. Pour que la cellule fonctionne, et produise le maximum de courant, on ajuste le [[Bande interdite|gap]] du semi-conducteur au niveau d'énergie des photons. On peut éventuellement empiler les jonctions, de façon à exploiter au mieux le spectre d'énergie des photons, ce qui donne les cellules multi-jonctions. == Technique de fabrication == {{loupe|Silicium#Production_industrielle_du_silicium}} Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques. On l'obtient par [[Réaction d'oxydo-réduction|réduction]] à partir de [[silice]], composé le plus abondant dans la croute terrestre et notamment dans le [[sable]], qui est donc le minerai de base. On obtient du silicium dit métallurgique, pur à 98% seulement. Le silicium de qualité électronique doit être purifié jusqu'à plus de 99,999%, ce qui s'obtient en transformant le silicium en un composé chimique qui sera [[distillation|distillé]] puis retransformé en silicium. Le silicium est produit sous forme de barres nommées « lingots » de section ronde ou carrée. Ces lingots sont ensuite sciés en fines plaques mises au carré (si nécessaire) de 200 micromètres d'épaisseur qui sont appelées « [[wafer]]s ». Après un traitement pour injecter enrichir en éléments dopant (P, As, Sb ou B) et ainsi obtenir du silicium semi-conducteur de type P ou N, les [[wafer]]s sont « métallisés » : des rubans de métal sont incrustés en surface et reliés à des [[connecteur|contacts]]s électriques. Une fois métallisés les wafers sont devenus des [[cellule photovoltaïque|cellules photovoltaïques]]. La production des cellules photovoltaïques nécessite de l'énergie, et on estime qu'une cellule photovoltaïque doit fonctionner environ 2 à 3 ans<ref>[http://www.eupvplatform.org/fileadmin/Documents/Brochure-indicateurs_26_pays.pdf IEA - Compared assessment of selected environmental indicators of photovoltaic electricity in OECD cities]{{pdf}}</ref> suivant sa technologie pour produire l'énergie qui a été nécessaire à sa fabrication (retour energétique du module). Les techniques de fabrication et les caractéristiques des principaux types de cellule sont décrits dans les 3 paragraphes suivants. Il existe d'autres types de cellules actuellement à l'étude, mais leur utilisation est pratiquement négligeable. Les matériaux et procédés de fabrication font l'objet de programmes de recherches ambitieux pour réduire les coûts de possession et de recyclage des cellules photovoltaïques. Les technologies couches minces sur substrats banalisés semblent recueillir les suffrages de l'industrie naissante. En 2006 et 2007, la croissance de la production mondiale de panneaux solaires a été freinée par manque de silicium, et les prix des cellules n'ont pas baissé autant qu'espéré . L'industrie cherche à faire baisser la quantité de silicium utilisé. Les cellules monocristallines sont passées de 300 microns d'épaisseur à 200 et on pense maintenant atteindre rapidement les 180 puis 150 microns, diminuant la quantité de silicium et d'énergie nécessaire, mais aussi les prix. === Cellule en silicium amorphe === Le silicium lors de sa transformation, produit un gaz, qui est projeté sur une feuille de verre. La cellule est grise très foncée. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites "solaires". * avantages : **fonctionne avec un faible éclairement (même par temps couvert ou à l'intérieur d'un bâtiment), **moins chère que les autres technologies, **moins sensible aux températures élevées que les cellules mono ou polycristallines. *inconvénients : **rendement faible en plein soleil, de 60Wc/m²<Ref name="RendementADEME">{{pdf}} [http://www2.ademe.fr/servlet/getBin?name=D81E8795D5A60FDAA2A71629E1DFB0AC1142434136931.pdf Rendement suivant les matériaux d'après ADEME]</Ref>, **performances qui diminuent sensiblement avec le temps. === Cellule en silicium monocristallin === [[Image:Solar cell.png|right|200px|thumb|Une cellule photovoltaïque monocristalline]] 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. *avantage : ** très bon rendement, de 150 Wc/m²<Ref name="RendementADEME">{{pdf}} [http://www2.ademe.fr/servlet/getBin?name=D81E8795D5A60FDAA2A71629E1DFB0AC1142434136931.pdf Rendement suivant les matériaux d'après ADEME]</Ref> ou plus (2007). *inconvénients : ** coût élevé, ** rendement faible sous un faible éclairement. === Cellule en silicium polycristallin === [[Image:Solar-cell-polycrystalline.jpg|200px|thumb|Une cellule photovoltaïque polycristalline]] 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, de 100Wc/m²<Ref name="RendementADEME"/>, mais cependant moins bon que pour le monocristallin, ** moins cher que le monocristallin. *inconvénient : **rendement faible sous un faible éclairement. Ce sont les cellules les plus utilisées pour la production électrique (meilleur rapport qualité-prix). === Cellule Tandem === Empilement monolithique de deux cellules simples. En combinant deux cellules (couche mince de silicium amorphe sur silicium cristallin) 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 : ** sensibilité élevée sur une large plage de longueur d'onde. Excellent rendement. *inconvénient : ** coût élevé dû à la superposition de deux cellules. === Cellule en plastique === {{article détaillé|Cellule photovoltaïque en plastique}} === Cellule multi-jonction === Des cellules ayant une grande efficacité ont été développées pour des applications spatiales. Les cellules multi-jonctions sont constituées de plusieurs couches minces qui utilisent l'[[épitaxie]] par jet moléculaire. Une cellule triple jonction, par exemple, est constituée des semi-conducteurs GaAs, Ge et GaInP2. Chaque type de semi-conducteur est caractérisé par une longueur d'onde maximale au delà de laquelle il est incapable de convertir le photon en énergie électrique (cf. [[bande interdite]]). D'un autre côté, en deçà de cette longueur d'onde, le surplus d'énergie véhiculé par le photon est perdu. D'où l'interêt de choisir des matériaux avec des longueurs aussi proches les unes des autres que possible (en multipliant leur nombre d'autant) de manière à ce qu'une majorité du spectre solaire soit absorbé, ce qui génère un maximum d'électricité à partir du flux solaire. L'usage de matériaux composés de boîtes [[quantique|quantiques]] permettra d'atteindre 65% dans le futur (avec un maximum théorique de 87%). Les dispositifs à multijonctions GaAs sont les cellules les plus efficaces. Spectrolab a obtenu 40.7% d'efficacité (déc. 2006), un consortium (dirigé par des chercheurs de l'université du Delaware) a obtenu un rendement de 42.8%<ref>[http://www.greencarcongress.com/2007/07/ud-led-team-set.html Green Car Congress: UD-Led Team Sets Solar Cell Efficiency Record of 42.8%; Joins DuPont on $100M Project<!-- Titre généré automatiquement -->]</ref> (sep. 2007). Le coût de ces cellules est de l'ordre de USD 40 $/cm². === Semi conducteur CIGS === La technique consiste à déposer un matériau semi conducteur à base de cuivre, de gallium, d'indium et sélénium sur un support. Une inquiétude cependant : les ressources en matières premières. Ces nouvelles techniques utilisent des métaux rares comme l'[[indium]] dont la production mondiale est de 25 tonnes par an et le prix d'avril 2007 de 1000 dollars le kg ; le [[tellure]] dont la production mondiale est de 250 tonnes par an ; le [[gallium]] d'une production de 55 tonnes par an ; le [[germanium]] d'une production de 90 tonnes l'an. Bien que les quantités de ces matières premières nécessaires à la fabrication des [[cellule solaire|cellules solaires]] soient infinitésimales, un développement massif mondial des panneaux solaires photovoltaiques en couches minces sans silicium ne manquerait pas de se heurter à cette disponibilité physique limitée. == Utilisation == {{loupe|Module solaire photovoltaïque}} Les cellules photovoltaïques sont parfois utilisées seules (éclairage de jardin, calculatrice, ...) ou bien regroupées sur des [[module solaire photovoltaïque|panneaux solaires photovoltaïques]]. Elles sont très utilisé en remplacement des piles (dont l'énergie est de loin la plus chère pour l'utilisateur ; même pour le fabricant, un compartiment pile et la pile éventuellement fournie peuvent couter plus cher qu'une cellule), pourvu que le dispositif ne réclame pas trop d'énergie par rapport à la surface qu'on peut accorder au générateur photovoltaïque, et qu'il y ait assez de lumière pendant l'usage : les cellules ont envahi calculette, montres, gadgets, etc. Il est possible d'augmenter leur gamme d'utilisation avec un stockage ([[Condensateur (électricité)|condensateur]] ou [[Batterie d'accumulateurs|batterie]]). Lorsqu'elles sont utilisées avec un dispositif de stockage de l'énergie, il est indispensable de placer une [[diode]] en série pour éviter la décharge du système pendant la nuit. Elles sont utilisées pour produire de l'électricité pour de nombreuses applications (satellites, parc-mètres, ...), ainsi que pour alimenter des habitations ou un réseau public de distribution dans le cas d'une [[centrale solaire photovoltaïque]]. ==Recherche et développement == La technologie n'est pas mature, et de nombreuses pistes de recherches sont explorées, visant toutes à baisser le prix du kW et du kWh, mais aussi d'autres qualités (rusticité, souplesse d'usage, facilité d'intégration dans des objets, etc.). Toutes les étapes des procédés de fabrication peuvent être amélioré, par exemple : * la société « Evergreen Solar » a éliminé l'étape de sicage, remplacer par le dépot du silicium encore liquide sur un film où il se cristalise directement à l'épaisseur du "wafer" * la société « NanoSolar » industrialise la production de cellules CGIS par une technique d'imprimerie, en continu , en espérant des cout de 1 $ / W en 2010. * toutes les sociétés annoncent successivement des accroissements du rendement de leurs cellules * la taille des wafers croit régulièrement, ce qui diminue le nombre de manipulations * On cherche à mieux valoriser toutes les longueurs d'onde du spectre solaire (dont infra-rouge, ce qui ouvrirait des perspectives très intéressantes : transformation directe de la lumière d'une flamme en électricité, rafraichissement). * Des « ''concentrateurs'' » (déjà utilisés sur les satellites) sont testés sur terre. Via des miroirs et des lentilles incorporées dans le panneau, ils focalisent le rayonnement sur l'élément essentiel et coûteux qui est la cellule photovoltaïque et ses semi-conducteurs. Fin 2007, Sharp a annoncé disposer d'un système concentrant jusqu'à 1100 fois le rayonnement solaire (contre 700 fois pour le précédent record en 2005); début 2008, Sunrgi a atteint 1600 fois. La concentration permet de diminuer la proportion du panneau consacré à la production de l'électricité, et donc leur coût. De plus ces nouveaux matériaux (les III-V notamment) supportent très bien l'échauffement important du à la concentration du flux solaire<ref>[http://www.nni.nikkei.co.jp/AC/TNKS/Nni20071205D05JSN05.htm Source : Nikkei Net (2007 12 06)] {{en}}, [http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/52270.htm Bulletin de l'ambassade de France]</ref>. * On étudie aussi la possibilité d'associer le silicium amorphe et cristallin par « ''hétérojonction'' », dans une même cellule photovoltaïque à plus de 20 % de rendement. Projet de 2 ans annoncé début 2008, associant le ''Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et des nanomatériaux'' du [[Commissariat à l'Energie Atomique|CEA-Liten]] et la société coréenne ''JUSUNG'' (fournisseur d'équipements pour les fabricants de semi-conducteurs), avec l'[[Institut national de l'énergie solaire|INES]] ([[Savoie]]) où le CEA-Liten a concentré ses activités concernant l'énergie solaire. * D'autres semi-conducteurs (sélénium; association ''Cuivre-Indium-Sélénium'' (CIS) en couche mince) sont étudiés par exemple en France par l'institut de recherche et développement sur l'énergie photovoltaïque (IRDEP <ref>Institut associant [[EDF]], [[CNRS]] et [[Ecole nationale supérieure de chimie de Paris]] (ENSCP)</ref>). Le CIS semble pouvoir offrir un rendement modeste de 12%, mais à faible coût de fabrication. * Des composés organiques (matières [[plastique]]s) pourraient constituer dans le futur à des panneaux souples et légers, des tuiles, voiles ou tissus photovoltaïque, espère-t-on à faible coût de fabrication. Pour l'instant leurs rendements sont faibles (5% maximum), ainsi peut-être que leur durée de vie, et de nombreux problèmes techniques restent à résoudre. Début 2008, le groupe japonais ''Fujikura'' a annoncé<ref>Nikkei Net - 04/02/2008</ref> avoir testé (1000 heures à 85 °C et une [[hygrométrie]] de 85%) une cellule photovoltaique organique de type DSSC<ref>''[[:en:Dye-sensitized_solar_cells|Dye-Sensitized Solar Cell]]'' ou ''[[Cellule_de_Graetzel|cellule Graetzel]]''</ref> non seulement plus résistante, mais au rendement amélioré de 50 à 70 % grâce à une surface dépolie qui diffuse aléatoirement la lumière réfléchie à l'intérieur de la cellule où elle libère à nouveau des charges électriques en activant d'autres pigments photosensibles. La pénurie de silicium accroit encore l'incitation à l'innovation, sur un marché en forte croissance qui s'annonce colossal, surtout si on parvient à descendre au prix des combustibles fossiles. ===Feuille de route du photovoltaïque=== Voici quelques objectifs que l'industrie japonaise s'est donnés: {|class="wikitable" |- bgcolor="#E0E0E0" ! Thème !! Cible 2010 !! Cible 2020 !! Cible 2030 |- | Coût de production|| 100 Yen/watt||75 Yen/watt||<50 Yen/watt |- | Durée de vie||-||+30 ans||- |- |Consommation de matière première||-||-||1g/watt |- |Coût du convertisseur||-||-||15.000 Yen/KW |- |Coût de la batterie||-||10 Yen/Wh||- |- |Efficacité cellule cristalline||20%||25%||25% |- |Efficacité cellule couche mince||15%||18%||20% |- |Efficacité cellule CIS||19%||25%||25% |- |Efficacité cellule III-V||40%||45%||50% |- |Efficacité cellule "Dye Sensitized"||10%||15%||18% |- |''Source Nedo (Japon)''||165 Yen=1€||Dec 2007 |-{{ligne grise}} |} == Notes == <References/> == Voir aussi == * [[Énergie solaire photovoltaïque]] * [[Maximum power point tracker]] * [[Indium#Cellule photovoltaïque|CuInSe<sub>2</sub>]] (CIS) * [[cellule CIGS|CIGS:(cuivre , indium , gallium , sélénium)]] * [[Cellule photoélectrochimique]] * [[Module solaire photovoltaïque]] * [[Photovoltaïque raccordé au réseau]] * [[Panneau solaire]] * [[Cellule photoélectrique]] * [[Photorésistance]] * [[Tenerrdis]] * [[ENF]] (base de données concernant les professionnels du photovoltaique) === Liens externes === {{Commonscat|Photovoltaics}} * [http://www.hespul.org/pvtoitsol.html Le photovoltaïque] expliqué par [[Hespul]], l'association qui a installé le premier "toit solaire" en France * [http://www.cler.org/info/rubrique.php3?id_rubrique=226 Le solaire photovoltaïque] par le [[Comité de Liaison des Énergies Renouvelables]] * [http://www.retscreen.net/fr/g_photo.php Modèle d'installation photovoltaïque] par l'administration canadienne [[RETScreen]] * [http://futura24.site.voila.fr/solairepv/pv_bilan.htm Bilan énergétique d'une installation photovoltaïque] dans plusieurs villes d'Europe *{{en}} [http://www.sciy.org/blog/COMMUNITIES/IdeasforAV/_archives/2006/12/7/2557088.html 45% de rendement en 2010] * [http://www.enerzine.com/1/1920+Doubler-le-rendement-des-cellules-photovoltaiques+.html 48% de rendement (industrialisation en cours)] *{{en}} [http://www.ecogeek.org/content/view/889/ 60% de rendement] *{{en}} [http://www.futurepundit.com/archives/002789.html Cellule photovoltaïque quantique de 65% de rendement] *{{en}}[http://www.laserfocusworld.com/newport/display_article/276740/12/NWPRT/MICNE//PHOTOVOLTAICS:-Research-targets-more-efficient-photovoltaics Cellule photovoltaïque - rendement théorique de 87%] * [http://www2.unine.ch/webdav/site/imt/shared/documents/agenda/lecon_inaug_ballif_avril_06.pdf Le photovoltaïque à l'université de Neuchâtel] *{{en}} [http://www.jobinyvon.com/Thin-Film/Applications/Photovoltaics Thin Film Photovoltaics Characterization] {{Portail|énergie|électricité}} [[Catégorie:Composant électronique]] [[Catégorie:énergie solaire]] <!--interwiki--> [[ar:خلايا شمسية]] [[bg:Слънчева батерия]] [[cs:Fotovoltaický článek]] [[da:Solcelle]] [[de:Solarzelle]] [[en:Solar cell]] [[eo:Sunĉelo]] [[es:Célula fotoeléctrica]] [[fi:Aurinkokenno]] [[gl:Célula fotoeléctrica]] [[he:תא פוטו-וולטאי]] [[hu:Napelem]] [[id:Sel surya]] [[ja:太陽電池]] [[ko:태양 전지]] [[lt:Saulės baterija]] [[lv:Saules baterija]] [[nl:Fotovoltaïsche cel]] [[no:Solcelle]] [[pl:Ogniwo słoneczne]] [[pt:Célula fotoeléctrica]] [[ro:Celulă solară]] [[ru:Фотоэлемент]] [[sk:Fotovoltaický článok]] [[sl:Sončna celica]] [[sv:Solcell]] [[th:เซลล์สุริยะ]] [[uk:Сонячний елемент]] [[vi:Pin mặt trời]] [[zh:太阳能电池]]