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Quand la cellule solaire au silicium prend vie

Dossier - Les cellules photovoltaïques, cœur des panneaux solaires
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De nombreuses cellules photovoltaïques ont vu le jour pour exploiter au mieux la lumière du Soleil au travers de panneaux solaires. Afin de produire de l’électricité, silicium, terres rares ou plastiques sont employés, mais chaque technologie a des atouts et des faiblesses dans ce domaine prometteur.

  
DossiersLes cellules photovoltaïques, cœur des panneaux solaires
 

Les cellules au silicium cristallin affichent de beaux rendements, le record ayant atteint 27,6 % en laboratoire. Ces entités photovoltaïques, qu'elles soient monocristallines ou multicristallines, possèdent de nombreux avantages, mais aussi quelques inconvénients dommageables comme leur poids ou leur rigidité.

La jonction p-n s'établit lorsque deux couches de silicium n'ayant pas le même dopage entrent en contact. En général, la strate n est placée au-dessus de la strate p, elle est donc la première à être exposée à la lumière solaire.

La strate n est conventionnellement recouverte d'une couche antireflet, et ce afin de minimiser la réflexion des photons. Dans l'architecture de cellule la plus classique, des collecteurs de charges sont alors ajoutés par le biais de techniques sérigraphiques, c'est-à-dire par l'ajout d'une pâte métallique (selon un motif défini) qui est par la suite solidifiée durant un nouveau passage dans un four. On dépose sur la couche p, à l'arrière, une électrode positive généralement en aluminium ou en argent, elle-même déposée sur un substrat. Cette métallisation conclut la fabrication des cellules en tant que telles.

Composition couche par couche d’une cellule photovoltaïque au silicium cristallin (en bleu et rose, respectivement en fonction des dopages n et p). La strate blanche correspond à la couche antireflet, qui est posée sur une couche d'oxyde de silicium (SiO2). Les structures grises correspondent aux collecteurs de charges. Les contacts du haut récoltent les électrons (-e), tandis que la structure en aluminium (en bas) se charge des trous (+hole). © Cuferz, Wikimedia Commons, cc by 3.0

Elles peuvent alors être assemblées en série ou en parallèle, selon les caractéristiques électriques souhaitées pour les panneaux, puis encapsulées. Les cellules photovoltaïques au silicium monocristallin sont d'un bleu ou d'un noir uniforme. En revanche, les structures multicristallines sont marquées par des motifs correspondant aux limites des cristaux.

Un succès important, mais des avantages en demi-teinte

Les cellules monocristallines (sc-Si) représentaient 30 % du marché mondial du photovoltaïque en 2011. Le rendement commercial des modules se situe entre 13 et 21 %, mais un record de 25 % a été obtenu en laboratoire (chiffre du National Renewable Energy Laboratory, NREL). Cette technologie est donc avantageuse, mais elle affiche un coût élevé en raison du prix des matériaux et de la quantité d'énergie requise durant leur préparation.

Les cellules photovoltaïques au silicium multicristallin sont aisément reconnaissables grâce aux motifs qu’elles affichent. Les éléments gris correspondent aux contacts métalliques de la face avant. © Cleary Ambiguous, Flickr, cc by 2.0

Rendement des cellules multicristallines

Le rendement des cellules multicristallines est certes moindre que celui des cellules monocristallines, entre 11 et 18 % pour les modules (record de 20,4 % pour les cellules), mais leur coût de fabrication aussi. Ainsi, environ 57 % des panneaux photovoltaïques vendus dans le monde en 2011 se composaient de cellules mc-Si. Elles seraient par ailleurs plus résistantes dans le temps (moins de perte de puissance) que les sc-Si, tout en étant moins affectées par le réchauffement qu'occasionne les expositions répétées au Soleil.

Inconvénients des cellules au silicium cristallin

Les cellules cristallines ont plusieurs inconvénients. Leur épaisseur les rend lourdes et surtout rigides, deux facteurs limitant sérieusement leurs possibilités d'installation lorsqu'elles sont intégrées dans des panneaux. Elles sont donc utilisées au sein de centrales solaires photovoltaïques ou sur des surfaces planes comme les toits. Un dernier inconvénient doit être souligné : leur rendement chute rapidement lorsque la luminosité s'amoindrit ou en présence de lumière diffuse... un peu plus que celui des cellules de deuxième génération (différence de 5 % sur l'énergie produite à l'année).