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Qu'est-ce qu'une cellule solaire ?


Lorsque la lumière brille sur une cellule photovoltaïque (PV) - également appelée cellule solaire - cette lumière peut être réfléchie, absorbée ou traverser directement la cellule. La cellule PV est composée d'un matériau semi-conducteur ; la "moitié" signifie qu'il peut conduire l'électricité mieux qu'un isolant, mais pas aussi bon conducteur qu'un métal. Divers matériaux semi-conducteurs sont utilisés dans les cellules photovoltaïques.

Lorsque le semi-conducteur est exposé à la lumière, il absorbe l'énergie de la lumière et la transfère à des particules chargées négativement dans le matériau appelées électrons. Cette énergie supplémentaire permet aux électrons de traverser le matériau sous forme de courant électrique. Ce courant est tiré à travers des contacts métalliques conducteurs - les lignes en forme de filet sur une cellule solaire - et peut ensuite être utilisé pour alimenter votre maison et le reste du réseau électrique.

L'efficacité d'une cellule PV est simplement la quantité d'énergie électrique sortant de la cellule par rapport à l'énergie de la lumière qui l'éclaire, indiquant l'efficacité de la cellule à convertir l'énergie d'une forme à une autre . La quantité d'électricité produite à partir des cellules photovoltaïques dépend des caractéristiques (telles que l'intensité et les longueurs d'onde) de la lumière disponible et des multiples caractéristiques de performance de la cellule.

Une propriété importante des semi-conducteurs photovoltaïques est la bande interdite, qui indique les longueurs d'onde de la lumière que le matériau peut absorber et convertir en énergie électrique. Si la bande interdite du semi-conducteur correspond aux longueurs d'onde de la lumière qui brille sur la cellule PV, alors cette cellule peut utiliser efficacement toute l'énergie disponible.

SILICIUM

Le silicium est de loin le matériau semi-conducteur le plus couramment utilisé dans les cellules solaires, représentant environ 95 % des modules actuellement vendus. C'est également le deuxième matériau le plus abondant sur Terre (après l'oxygène) et le semi-conducteur le plus couramment utilisé dans les puces informatiques. Les cellules de silicium cristallin sont constituées d'atomes de silicium liés entre eux pour former un réseau cristallin. Ce réseau fournit une structure organisée qui rend la conversion de la lumière en électricité plus efficace.

Les cellules solaires en silicium offrent actuellement une combinaison de rendement élevé, de faible coût et de longue durée de vie. On s'attend à ce que les modules durent 25 ans ou plus, et produisent encore plus de 80 % de leur puissance d'origine après cela.

PHOTOVOLTAÏQUE À COUCHE MINCE

Une cellule solaire à couches minces est fabriquée en déposant une ou plusieurs couches minces de matériau PV sur un matériau de support tel que du verre, du plastique ou du métal. Il existe actuellement deux principaux types de semi-conducteurs PV à couches minces sur le marché : le tellurure de cadmium (CdTe) et le diséléniure de cuivre, d'indium et de gallium (CIGS). Les deux matériaux peuvent être appliqués directement à l'avant ou à l'arrière de la surface du module.

Le CdTe est le deuxième matériau PV le plus courant après le silicium et les cellules CdTe peuvent être fabriquées à l'aide de procédés de fabrication à faible coût. Bien que cela en fasse une alternative rentable, leur efficacité n'est toujours pas aussi élevée que le silicium. Les cellules CIGS ont des propriétés optimales pour un matériau PV et une efficacité élevée en laboratoire, mais la complexité impliquée dans la combinaison de quatre éléments rend la transition du laboratoire à la production plus difficile. Le CdTe et le CIGS nécessitent tous deux plus de protection que le silicium pour permettre un fonctionnement extérieur à long terme.

PHOTOVOLTAÏQUE PEROVSKITE

Les cellules solaires en pérovskite sont un type de cellule à couche mince et sont nommées d'après leur structure cristalline caractéristique. Les cellules de pérovskite sont construites avec des couches de matériau qui sont imprimées, enduites ou déposées sous vide sur une couche de support sous-jacente, appelée substrat. Ils sont généralement faciles à assembler et peuvent atteindre des rendements comparables au silicium cristallin. En laboratoire, l'efficacité des cellules solaires en pérovskite s'est améliorée plus rapidement que tout autre matériau photovoltaïque, passant de 3 % en 2009 à plus de 25 % en 2020. Pour être commercialement viables, les cellules photovoltaïques en pérovskite doivent devenir suffisamment stables pour durer 20 ans. à l'extérieur, les chercheurs s'efforcent donc de les rendre plus durables et de développer des techniques de fabrication à grande échelle et à faible coût.

PHOTOVOLTAS ORGANIQUES

Les cellules PV ou OPV organiques sont composées de composés (organiques) riches en carbone et peuvent être modifiées pour améliorer une fonction spécifique de la cellule PV, telle que la bande interdite, la transparence ou la couleurheure. Les cellules OPV ne sont actuellement qu'environ deux fois moins efficaces que les cellules en silicium cristallin et ont une durée de vie plus courte, mais peuvent être moins chères à fabriquer en grandes quantités. Ils peuvent également être appliqués sur divers matériaux de support, tels que le plastique souple, permettant à l'OPV d'être utilisé pour une grande variété d'applications.

POINTS QUANTIQUES

Les cellules solaires à points quantiques conduisent l'électricité à travers de petites particules de divers matériaux semi-conducteurs qui ne mesurent que quelques nanomètres de large, les soi-disant points quantiques. Les points quantiques offrent une nouvelle façon de traiter les matériaux semi-conducteurs, mais il est difficile d'établir une connexion électrique entre eux, ils ne sont donc pas très efficaces pour le moment. Cependant, ils sont faciles à transformer en cellules solaires. Ils peuvent être déposés sur un substrat à l'aide d'une méthode de spin-coat, d'un spray ou d'imprimantes roll-to-roll telles que celles utilisées pour l'impression de journaux.

Les points quantiques sont disponibles dans une variété de tailles et leur bande interdite est réglable, ce qui leur permet de capturer la lumière difficile à capturer et de se combiner avec d'autres semi-conducteurs, tels que les pérovskites, pour optimiser les performances d'une cellule solaire multijonction (plus à ce sujet ci-dessous).

PHOTOVOLTA MULTIFONCTIONNEL

Une autre stratégie pour améliorer l'efficacité des cellules photovoltaïques consiste à superposer plusieurs semi-conducteurs pour fabriquer des cellules solaires aux fonctions multiples. Ces cellules sont essentiellement des empilements de matériaux semi-conducteurs différents, contrairement aux cellules à jonction unique, qui ne comportent qu'un seul semi-conducteur. Chaque couche a une bande interdite différente, de sorte qu'elles absorbent chacune une partie différente du spectre solaire, utilisant davantage la lumière du soleil que les cellules à nœud unique. Les cellules solaires multijonctions peuvent atteindre des niveaux d'efficacité record car la lumière non absorbée par la première couche semi-conductrice est capturée par une couche en dessous.

 

Alors que toutes les cellules solaires avec plus d'une bande interdite sont des cellules solaires multijonctions, une cellule solaire avec exactement deux bandes interdites est appelée une cellule solaire en tandem. Les cellules solaires multijonctions qui combinent des semi-conducteurs des colonnes III et V du tableau périodique sont appelées cellules solaires multijonctions III-V.

Les cellules solaires multifonctions ont montré des rendements de plus de 45 %, mais elles sont coûteuses et difficiles à fabriquer, elles sont donc réservées à l'exploration spatiale. L'armée utilise des cellules solaires III-V dans des drones et les chercheurs explorent d'autres applications pour celles-ci où une efficacité élevée est essentielle.

CONCENTRATION DE PHOTOVOLTAS

La concentration PV, également appelée CPV, concentre la lumière du soleil sur une cellule solaire à l'aide d'un miroir ou d'une lentille. En concentrant la lumière du soleil sur une petite zone, moins de matériel PV est nécessaire. Les matériaux PV deviennent plus efficaces à mesure que la lumière devient plus concentrée, de sorte que l'efficacité globale la plus élevée est obtenue avec les cellules et modules CPV. Cependant, des matériaux plus coûteux, des techniques de fabrication et la capacité de suivre le mouvement du soleil sont nécessaires, il est donc devenu difficile de démontrer l'avantage de coût nécessaire par rapport aux modules en silicium à grand volume d'aujourd'hui.


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