Les différents types de cellules photovoltaïques et leurs avantages et inconvénients

L’énergie solaire s’affirme comme une solution incontournable pour la production d’électricité propre et durable parmi les sources renouvelables. Le rôle essentiel des cellules photovoltaïques dans le fonctionnement des panneaux solaires est indéniable. Ces unités extraordinaires transforment la lumière du soleil en électricité lorsqu’elles sont combinées pour créer des modules photovoltaïques. Ensemble, explorons les diverses catégories de cellules photovoltaïques disponibles, leur composition ainsi que les avantages et les inconvénients associés.

🔧 Type de cellule	📈 Rendement	📅 Durée de vie	💰 Coût
🔹 Silicium monocristallin	16% – 24%	~30 ans	Élevé
🔹 Silicium polycristallin	13% – 18%	Non spécifié	Moyen
🔹 Silicium amorphe	6% – 9%	Non spécifié	Faible
🔹 Multi-jonction	~40%	Non spécifié	Non commercialisé (spatial)

Composition et fonctionnement d’une cellule photovoltaïque

La cellule photovoltaïque est principalement constituée de semi-conducteurs, souvent à base de silicium. En tant que semi-conducteur électronique, sa mission est de capturer la lumière solaire et de la convertir en électricité. Cette électricité est ensuite transformée en courant alternatif par l’onduleur pour alimenter nos équipements domestiques. Il est également possible de stocker cette énergie dans une batterie.

Lorsque plusieurs cellules sont assemblées, elles forment un module solaire produisant de l’électricité grâce à l’énergie solaire captée. La cellule photovoltaïque est composée de différentes couches, parmi lesquelles :

• Une couche active qui capte l’énergie solaire ;
• Des contacts métalliques à l’avant et à l’arrière, formant des électrodes positives et négatives pour collecter le courant généré ;
• Des couches supplémentaires améliorant l’efficacité de la cellule.

« Les cellules photovoltaïques sont une technologie clé pour la transition vers une énergie propre et renouvelable. » Jean-Marc Jancovici, ingénieur spécialisé dans la transition énergétique

Divers matériaux pour sa fabrication

La fabrication d’une cellule photovoltaïque implique l’utilisation de matériaux semi-conducteurs. Ils agissent comme des isolants électriques, tout en permettant aux électrons de produire du courant. Ces cellules sont majoritairement fabriquées à partir de silicium. Son abondance et sa facilité d’extraction (présent dans le sable et le quartz), ainsi que sa recyclabilité aisée, le démarquent particulièrement.

D’autres matériaux tels que le sélénium de cuivre d’indium et de gallium, le tellurure de cadmium ou la pérovskite peuvent également être utilisés pour la fabrication de cellules photovoltaïques dans certains cas. Malgré l’intérêt grandissant de la recherche scientifique pour leur potentiel, ces matériaux restent peu utilisés jusqu’à présent. Dans l’univers des cellules photovoltaïques, le silicium se positionne en leader. Il offre une abondance inépuisable et une utilisation aisée.

Le rôle du composant de la cellule photovoltaïque

Pour obtenir une quantité d’électricité significative, le panneau solaire combine les courants électriques engendrés par les cellules photovoltaïques. C’est ici que le choix du matériau semi-conducteur prend tout son sens. Il détermine grandement le rendement de la cellule solaire, qui peut considérablement varier d’un matériau à un autre. Parmi les multiples options disponibles, le silicium demeure le matériau le plus largement utilisé, largement disponible à la surface de la Terre.

Le silicium amorphe, produit à partir de gaz de silicium, est ensuite vaporisé sur un support en verre, en plastique souple ou en métal grâce à un procédé de projection sous vide. Ce processus confère aux cellules photovoltaïques une teinte gris foncé distinctive.

Il existe différentes variations du silicium, chacune offrant ses propres caractéristiques uniques :

• Le silicium monocristallin, obtenu en refroidissant le silicium fondu jusqu’à ce qu’il devienne un cristal uniforme. Par la suite, il est découpé en fines tranches pour former la cellule photovoltaïque, arborant une couleur bleue sans trace de cristaux ou d’autres imperfections.
• Le silicium polycristallin, qui se distingue par sa teinte bleue uniforme, mais présente des motifs laissés par les cristaux sur les cellules fabriquées, les rendant aisément identifiables.

En dehors du silicium, une autre matière première utilisée pour la conception de cellules photovoltaïques est le tellurure de cadmium (CdTe). Dans ce cas, la fabrication des cellules photovoltaïques implique l’enfermement hermétique d’une couche d’absorption en tellurure de cadmium entre deux supports de verre.

Avantages et inconvénients des différentes cellules photovoltaïques

Les cellules photovoltaïques se déclinent en plusieurs variantes, partageant un fonctionnement similaire tout en ayant leurs spécificités propres.

La cellule photovoltaïque en silicium monocristallin

L’une des cellules les plus répandues est fabriquée à partir de silicium monocristallin, appliqué en une seule tranche. Cette cellule est utilisée pour fabriquer des panneaux solaires destinés à fournir de l’énergie aux habitations ou au réseau public.

👍 Avantages : Rendement élevé (environ 25%), longue durée de vie (environ 30 ans).

👎 Inconvénients : Coût d’achat élevé, rendement faible par temps nuageux, adaptée aux régions les plus ensoleillées.

La cellule photovoltaïque en silicium polycristallin

Cette cellule est aisément identifiable grâce à ses cristaux bleus. Elle est composée d’une seule tranche de silicium en forme carrée. Elle est couramment présente dans les installations domestiques, agricoles ou industrielles.

👍 Avantages : Coût de fabrication moins élevé, utilisation possible par temps nuageux.

👎 Inconvénients : Rendement inférieur (entre 10% et 15%) par rapport aux monocristallines.

La cellule au silicium amorphe

Cette cellule est principalement conçue pour alimenter des appareils de faible puissance. Les montres solaires, les éclairages de jardin et les calculatrices solaires utilisent une couche fine de silicium, beaucoup plus mince que celle des monocristallines ou des polycristallines. Cette technologie permet une efficacité accrue dans la conversion de l’énergie solaire.

👍 Avantages : Faible coût de fabrication, flexibilité d’intégration sur différents supports, capte les rayons solaires par temps nuageux.

👎 Inconvénients : Rendement faible (environ 7% maximum), nécessité d’une surface conséquente pour une rentabilité optimale, performances diminuent avec le temps.

La cellule photovoltaïque tandem

Pour sa conception, on utilise deux couches semi-conductrices simples, telles qu’une couche de silicium amorphe associée à une autre de silicium cristallin (monocristallin ou polycristallin). Son intérêt réside principalement dans son utilisation industrielle.

👍 Avantages : Rendement intéressant, mais fabrication complexe.

👎 Inconvénients : Coût de production élevé, nécessite un nettoyage optimal pour maintenir un rendement constant.

La cellule photovoltaïque CIGS

Cette cellule est fabriquée en utilisant un alliage de cuivre, d’indium, de sélénium et de gallium comme matériau semi-conducteur. Elle est disposée en couche très fine sur un support.

👍 Avantages : Rendement intéressant (entre 10% et 20%), utilisation de matériaux moins toxiques, flexibilité du support pour capter plus de rayons solaires.

👎 Inconvénient : Nécessite une plus grande surface pour obtenir un bon rendement.

La cellule en couche mince de tellurure de cadmium

Pour sa fabrication, on utilise le tellurure de cadmium, un matériau différent du silicium, qui est scellé en une seule couche entre deux plaques de verre.

👍 Avantages : Technologie pour développer le rendement des panneaux solaires, réduction des coûts.

👎 Inconvénient : Composition de produits toxiques.

La cellule photovoltaïque multi-jonction

En utilisant différentes couches de matériaux semi-conducteurs, cette cellule peut convertir chaque rayon solaire, indépendamment de son exposition. Les couches sont superposées pour créer la cellule photovoltaïque multi-jonction, principalement employée dans les engins spatiaux.

👍 Avantage : Rendement optimal d’environ 40%.

👎 Inconvénient : Non commercialisée, réservée à une utilisation spatiale.

Rendement des cellules photovoltaïques

La performance d’une cellule photovoltaïque, mesurée par le pourcentage d’énergie lumineuse transformée en électricité par rapport à l’énergie captée, est d’une importance cruciale dans toute installation solaire. Pour garantir un rendement optimal, différents types de cellules en silicium sont disponibles, chacun affichant des caractéristiques distinctes.

Les cellules en silicium amorphe, bien que moins performantes, sont accessibles avec un rendement oscillant entre 6 % et 9 %. Si vous recherchez une efficacité supérieure, les cellules en silicium polycristallin constituent une alternative intéressante, offrant un rendement situé entre 13 % et 18 %.

Cependant, si vous aspirez au sommet de l’efficacité énergétique, les cellules en silicium monocristallin sont le choix idéal, affichant un rendement optimal allant de 16 % à 24 %. Cette gamme variée de cellules vous permet de sélectionner celle qui répond le mieux à vos besoins spécifiques. D’autres facteurs peuvent également jouer un rôle central dans le rendement d’une cellule photovoltaïque, tels que :

• L’orientation ;
• L’inclinaison ;
• La zone géographique d’implantation ;
• La présence d’ombres.

Pour atteindre des performances optimales, Azaneo vous recommande d’orienter vos panneaux vers le sud avec une inclinaison de 30° dans une région ensoleillée. Évitez soigneusement les zones ombragées causées par des arbres ou des bâtiments environnants.