La cellule photovoltaïque : Pourquoi s’y intéresser ?
Pour assurer le fonctionnement d’un panneau solaire, il faut obligatoirement le recouvrir de cellules photovoltaïques. Ce sont elles qui transforment la lumière du soleil en électricité.
Grâce à ces cellules on peut produire de l’énergie propre. Du coup c’est super intéressant de savoir comment ça fonctionne. Et c’est justement pour vous aider à tout comprendre que j’ai écrit ce guide.
À la fin de votre lecture vous serez calé(e) sur tous ces points :
- Qu’est-ce que c’est une cellule photovoltaïque ?
- Comment ça fonctionne ?
- De quoi c’est composé ?
- Quel rendement on peut en attendre ?
Vous êtes partant(e) ? On commence tout de suite avec le plus important, qu’est-ce que c’est une cellule photovoltaïque ? (On peut aussi dire cellule pv).
Qu’est-ce qu’une cellule photovoltaïque ?
Si vous n’êtes pas très familier avec l’univers du photovoltaïque, ça peut être un sujet assez technique. Je vais tout simplifier au maximum mais s’il y a des points qui restent flous, posez-moi vos questions en commentaire.
J’y répondrais rapidement, maintenant on peut commencer.
La cellule photovoltaïque, c’est un composant électronique qui produit de l’électricité quand elle est exposée à la lumière du soleil. On peut aussi appeler ça une cellule solaire. Elles servent pour la fabrication des panneaux solaires
Elle est extrêmement fine, on parle de 200 μm (micromètres), voire moins. Pour vous donner une idée, c’est à peu près l’épaisseur d’une feuille de papier.
Ça veut dire qu’il faut une petite quantité de matière première pour la fabriquer. Ça veut aussi dire que ça participe à la préservation des ressources naturelles. Un premier bon point.
Une cellule produit de l’électricité toute seule, mais dès qu’elles sont plusieurs elles deviennent très puissantes. Elles font avancer des bateaux, des avions solaires, alimentent des satellites en orbite autour de la Terre. Rien que ça.
D’ailleurs c’est bon à savoir, sur un panneau solaire on compte entre 60 et 72 cellules photovoltaïques.
Pour bien comprendre ce que c’est, on regarde tout de suite de quoi c’est constitué.
Quel est le matériau le plus utilisé pour fabriquer une cellule photovoltaïque ?
On utilise des matériaux photosensibles dits « semi-conducteurs ». Ça veut dire que c’est un isolant électrique qui permet quand même aux électrons de produire du courant. Si ce n’est pas assez clair pour vous dites-le moi dans les commentaires.
Le matériau semi-conducteur qu’on utilise le plus pour faire une cellule solaire c’est le silicium.
C’est un matériau facile à trouver et à extraire. On estime que c’est le 2e élément le plus abondant sur Terre. Il est principalement extrait du sable ou du quartz du coup il est 100 % recyclable.
On peut en utiliser d’autres :
- le séléniure de cuivre d’indium et de gallium,
- le séléniure de cuivre-indium,
- le tellurure cadmium,
- le perovskite
mais c’est beaucoup plus rare.
Le silicium est extrait dans des carrières, et d’ailleurs, nous en avons en France. Une fois qu’il est extrait, on peut passer à l’étape de fabrication. Ça tombe bien, puisque c’est la suite de ce guide.
Comment fabrique-t-on des cellules solaires ?
La toute première étape consiste à façonner des lingots de silicium. Il faut qu’ils soient purs, dedans on ajoute une toute petite quantité de bore.
Pourquoi du bore ? Parce que c’est un matériau qui arrive à guider l’électricité. Grâce à lui, le silicium se retrouve avec une polarité positive. Ça veut dire qu’on peut le comparer à la borne positive d’une pile électrique.
Après il faut faire cuire les lingots. Une fois cuits (à très haute température) on les découpe en fines tranches. Ces petites lamelles qu’on obtient s’appellent des « wafers » en anglais. Elles ont une épaisseur de 200 μm et moins.
Ensuite, les « wafers » sont traités, comme ça ils réfléchissent moins la lumière. Ici l’objectif c’est d’augmenter le rendement des cellules solaires.
Après ça on ajoute une couche de phosphore sur l’une des faces du wafer pour lui donner une polarité négative. Cette fois on peut comparer ça à la borne négative de la pile électrique. Facile, non ?
Il ne reste plus qu’à placer les “contacts de métal“, ce sont les fils visibles à la surface des cellules. Ils récupèrent l’énergie présente dans le silicium et la transportent.
Vous êtes au point sur la fabrication, maintenant on peut passer au principe de fonctionnement.
Comment fonctionne une cellule photovoltaïque ?
On va faire un peu de physique ensemble pour bien comprendre comment on obtient l’effet photovoltaïque.
Le rôle des électrons
À la base, le silicium est constitué d’atomes. Un atome, c’est un noyau autour duquel gravitent des électrons.
Ce qu’on cherche à obtenir pour produire du courant électrique, c’est une circulation d’électrons. Ça tombe très bien puisque les électrons du silicium s’agitent quand on les expose aux photons.
Pour rappel : les photons, ce sont ces particules de lumière qu’on retrouve dans les rayons du soleil.
Grâce à la lumière, les électrons s’agitent, mais ça ne suffit pas à les faire circuler.
Pour obtenir une circulation, on a besoin d’une polarité avec :
- un pôle négatif d’un côté ;
- un pôle positif de l’autre côté.
On l’a déjà vu un peu plus haut. Le silicium est enrichi avec du bore pour obtenir une polarité positive. Puis on ajoute du phosphore pour obtenir une polarité négative.
On va creuser un petit peu ce principe de polarité.
Le pôle positif et le pôle négatif
Il faut savoir qu’un atome de silicium possède 4 électrons qui ont une charge électrique négative.
Un atome de bore possède 3 électrons. C’est 1 électron de moins que le silicium. À cause de son déficit d’électron, sa charge électrique est positive. Voilà pourquoi on obtient un pôle positif.
Quant à l’atome de phosphore, il possède 5 électrons. Il en a 1 de plus que le silicium. Puisqu’il y a un excédent d’électrons, la charge électrique est négative. On parle alors de pôle négatif.
Grâce à ce système, les électrons se déplacent naturellement entre les deux pôles pour rééquilibrer les charges. Et c’est cette circulation qui crée le courant électrique.
Toutes les cellules photovoltaïques conduisent le courant de la même manière mais elles ne sont pas toutes de la même couleur. Je vous propose qu’on se penche sur cette différence.
Pourquoi les cellules photovoltaïques sont noires ?
En fait, les cellules peuvent être noires ou bleues et ça, ça dépend de leur type.
La cellule monocristalline est composée d’un seul cristal de silicium. À l’intérieur du module, les cristaux sont tous orientés dans le même sens. C’est ce qui donne cette couleur foncée et uniforme noire.
La cellule polycristalline, elle, est composée de plusieurs cristaux orientés dans des directions différentes. Du coup, la couleur n’est pas homogène. On se retrouve avec plusieurs tons de bleu parce que la lumière se reflète différemment sur chaque cristal.
C’est assez clair pour vous ?
Si vous avez la moindre question concernant l’énergie solaire, vous pouvez contacter nos conseillers. Tous nos accompagnements sont gratuits. Cliquez ici pour être mis en relation avec eux.
J’en reviens aux cellules. Les monocristallines et polycristallines sont les plus populaires, mais il en existe d’autres.
Quelles sont les trois grandes familles de cellules photovoltaïques ?
Sur le marché du photovoltaïque, on retrouve trois familles principales.
La cellule en silicium monocristallin
C’est la fameuse cellule monocristalline que nous venons de voir. Elle est de couleur plutôt noire ou bleu nuit. C’est l’une des cellules photovoltaïques la plus répandue. La plupart des panneaux photovoltaïques sont des capteurs monocristallins.
La cellule en silicium polycristallin
C’est la cellule polycristalline de couleur bleutée. Elle est très utilisée dans le milieu industriel et agricole. Elle était populaire à l’époque, mais maintenant ce sont surtout les panneaux monocristallins qu’on installe sur les toits.
La cellule au silicium amorphe en couche mince
Vous pouvez aussi retrouver des cellules au silicium amorphe en couche mince ou de type Cuivre-Indium-Sélénium (CIS). Vous les reconnaîtrez à leur couleur marron ou gris foncé.
Leur couche de silicium est bien plus fine que pour les 2 précédentes. C’est ce type de cellule que vous retrouvez sur les calculatrices de bureau, ou encore, dans les éclairages de jardin.
Il existe aussi des panneaux solaires à hétérojonction photovoltaïque. Ce type de cellule est un alliage entre deux matériaux différents : une couche de matériau semi-conducteur "positif" et une couche de matériau semi-conducteur "négatif".
D’autres types de cellules photovoltaïques existent, mais je ne vais pas toutes les détailler ici. Elles sont encore à l’étude, comme les cellules photovoltaïques organiques ou elles sont utilisées pour des technologies complexes.
On va comparer ensemble les trois familles de cellules qu’on vient de voir.
Quels sont les avantages et les inconvénients des cellules photovoltaïques ?
Comme elles ne sont pas conçues de la même façon, elles n’ont pas les mêmes avantages.
La cellule en silicium monocristallin
Elle a pour avantage d’avoir une longue durée de vie. On peut compter sur plus de 30 ans de longévité. C’est aussi la cellule qui offre la meilleure production d’énergie sous un rayonnement direct du soleil.
Pourquoi ? Parce que tous ses cristaux ont la même orientation.
La cellule en silicium polycristallin
Son avantage majeur, c’est son coût qui offre un bon rapport qualité/prix. Les cellules de silicium polycristallin ont, elles aussi, une durée de vie de plus ou moins 30 ans.
Leur désavantage majeur, c’est que vous aurez besoin d’une plus grande surface de toit pour les installer. Les modules bleus ont un moins bon rendement que les noirs. Pour produire la même quantité d’énergie, il en faudra donc plus.
Si vous avez pour projet d’installer des panneaux solaires le rendement a son importance mais la puissance aussi. Pour déterminer celle dont vous avez besoin, vous pouvez utiliser notre simulateur solaire. C’est moins précis qu’une étude de rentabilité mais ça vous donne une estimation.
La cellule au silicium amorphe en couche mince (CIS)
Les cellules au silicium amorphe en couche mince ou CIS ont de nombreux avantages. Elles fonctionnent avec un faible éclairage et elles sont moins sensibles à la température. Comme elles sont faciles à fabriquer elles sont bon marché.
Évidemment, elles ont aussi des inconvénients.
Elles ont un rendement nettement inférieur aux autres, même en plein soleil. Sachez aussi que leur durée de vie est de seulement 10 ans et que leur efficacité diminue avec le temps.
Du coup la principale différence entre ces cellules solaires, c’est leur rendement. On va se focaliser sur ce point, c’est très important.
Quel est le rendement d’une cellule photovoltaïque ?
Première question que vous vous posez sûrement : qu’est-ce que le rendement d’une cellule photovoltaïque ? Le rendement c’est le rapport entre la quantité d’énergie captée et la quantité d’électricité produite.
Par exemple, pour une cellule qui aurait un rendement de 18 %, ça veut dire que :
- 18 % de l’énergie solaire est transformée en électricité ;
- 82 % de l’énergie est perdue sous forme de chaleur.
Donc plus le taux de rendement est élevé et plus la cellule produit de l’électricité.
Pour que ce soit le plus clair possible, je vous ai préparé un tableau des rendements moyens pour chaque type de cellules photovoltaïques :
Sachez aussi que certains facteurs peuvent avoir un impact sur le rendement de vos modules solaires. Par exemple, il faut prendre en compte l’orientation et l’inclinaison de votre toit. Tout ça joue un rôle pour la production de votre électricité.
Si le sujet vous intéresse, je vous ai préparé un petit contenu avec mes 7 astuces pour optimiser votre rendement photovoltaïque. Vous pouvez le télécharger gratuitement en cliquant ici.
On a fait le tour de tout ce qu’il y avait à savoir sur les cellules solaires. J’aimerais maintenant répondre à une question qu’on me pose souvent.
Est-ce que les panneaux solaires polluent ?
Les panneaux solaires produisent de l’énergie verte donc non polluante.
Leur fabrication demande de l’énergie mais ils remboursent leur “dette énergétique“ en 4 ans. Ça veut dire qu’après 4 ans de fonctionnement une installation produit de l’électricité totalement décarbonée.
D'ailleurs, de plus en plus de fabricants photovoltaïques s'installent en France. Ça réduit donc l'impact environnemental du transport des matériaux.
Il reste la question du recyclage.
Petit rappel avant d’aller plus loin : un panneau solaire a une durée de vie qui peut dépasser les 30 ans. Ce n’est donc pas du matériel jetable.
L’info la plus importante à retenir, c’est que la majorité des modules solaires sont recyclables à 95 %. Les 5% restants correspondent tout bêtement à de la perte.
Alors, vous êtes rassuré(e) ? Pour aller un peu plus loin, je vous propose de regarder à la loupe les matériaux qui composent une installation solaire.
Quels sont les composants d’un panneau solaire ?
Comme je viens de vous l’expliquer, un panneau solaire est facilement recyclable et ça, c’est grâce aux matériaux qui le composent.
On détaille tout ça ensemble.
Le verre
Il représente entre 75 % et 80 % du module, ce qui équivaut aux trois quarts du panneau. Le verre est un matériau recyclable à 100 % qui retourne simplement dans le circuit de recyclage habituel.
L’aluminium
Il est utilisé pour le cadre des panneaux. Comme le verre, il est à 100 % recyclable.
Les cellules
Elles sont composées de silicium de type cristallin pour 90 % des modules. C’est un matériau qui peut être recyclé jusqu’à 4 fois en utilisant un traitement chimique qui décolle le silicium.
Le plastique
Les films plastiques transparents situés à la surface des cellules photovoltaïques peuvent être transformés en granulés.
Le cuivre et l’argent
Ils sont utilisés pour faire les connecteurs sur les cellules. Ce sont des métaux non ferreux réutilisables à l’infini.
Tous ces matériaux pourront être valorisés par la fabrication de nouvelles cellules et de nouveaux panneaux. Ou bien, ils seront utilisés dans d’autres industries.
Ce guide est maintenant terminé, on fait un petit récapitulatif ensemble ?
Ce qu’il faut retenir sur les cellules photovoltaïques
La technologie photovoltaïque est en constante évolution. Aujourd'hui nous pouvons même trouver des panneaux solaires semi-transparents avec des rendements très élevés.
Il y a 2 sortes de cellules pour produire de l’électricité dans votre habitation :
- la cellule monocristalline qu’on retrouve dans les panneaux noirs ;
- la cellule polycristalline qu’on retrouve dans les panneaux bleus.
Le rendement et le coût peuvent varier en fonction du type de cellule photovoltaïque que vous installez.
Les cellules, comme le reste des matériaux qui composent un panneau solaire, sont recyclables.
Je n’ai pas répondu à toutes vos interrogations ? Posez-moi toutes vos questions dans les commentaires et j’y répondrai.
Damien bénéficie de plus de 15 ans d'expérience dans le secteur du photovoltaïque. Il occupe le poste de Directeur Technique National et supervise tous les chantiers d'installation de panneaux solaires pour Nouvel'R Énergie.
