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Le principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque peut généralement être décrite comme suit:
Le matériau de base des cellules solaires est un semi-conducteur, un type particulier de matériau dans lequel les électrons liés peuvent facilement devenir des électrons libres lorsqu’ils absorbent la lumière (photons). Cet effet est nommé photoélectrique. Lorsqu’un électron lié se libère, un trou (ou vacuité) et par conséquent un "couple électron-trou" se crée.
La création de couples électron-trou due à l’absorption de la lumière est la condition de base d’un matériau photovoltaïque; dans une cellule photovoltaïque, la présence d’une différence de potentiel est nécessaire, permettant de séparer les charges et fournir un courant électrique à un circuit externe. Un processus appelé dopage (doping) du semi-conducteur est donc nécessaire.
Dans des semi-conducteurs de silicium cristallin (Si), le dopage est obtenu en insérant une infime quantité d’atomes de bore (B) dans le silicium, créant un matériel ainsi dénommé de «type p».
En insérant en revanche une petite quantité de phosphore (P), se crée un matériau de «type n». Ayant trois électrons de valence (au lieu de 4 électrons de valence de la Si) le B est en gré d’obtenir un électron libre lorsqu’il est entouré d’atomes de silicium (de ce fait appelé «receveur»). Un atome P en revanche possède 5 électrons de valence et produit un électron supplémentaire lorsqu’il est entouré d’atomes de Si (de ce fait appelé «donneur»).
Quand deux matériaux dopés p et n sont rapprochés, il se crée une différence de potentiel - et donc un champ électrique – en gré de séparer les porteurs électriques (électrons/trous) et de créer un courant électrique lorsqu’une charge électrique est appliquée à la cellule.
Les photons d’énergie solaire, qui incident sur la cellule solaire, ont une énergie suffisante pour rompre les couples électron-trou et les libérer. Les électrons libres à proximité du champ électrique sont poussés vers le côté n, et les trous vers le côté p. Une charge électrique externe – fermant le circuit – obligent les électrons de circuler vers le côté p et de se réassembler avec les trous (et vice-et-versa).
L'élèment de base est une cellule photovoltaïque. Les cellules photovoltaïques créent un module photovoltaïque lorsqu’elles sont liées ensemble. Une installation photovoltaïque est créée lorsque les modules photovoltaïques sont liés ensemble.
Cellule photovoltaique - Module phtovoltaique - Installation fotovoltaique
Diverses technologies photovoltaïques existent, chacune avec des caractéristiques selon le type de cellule ou technologie utilisé. Entre celles-ci, les plus courantes sont: monocristallines, multi cristallines et à couche mince (silicium amorphe, micromorphe, CIS, CdTe).
Silicium monocristallin (sc-Si)
Pour la production de cellules monocristallines on utilise des semi-conducteurs dotés d’une structure très pure. De la masse fondue de silicium on obtient des barres qui sont ensuite coupées en plaques minces (wafers). Cette méthode de production garanti au produit un rendement extrêmement élevé. Il se présente en général de couleur noire ou bleue uniforme.
Silicium policristallin (mc-Si)
La production de cellules multicristallines est moins onéreuse: dans ce cas la masse de silicium est fondue en bloc, lesquels sont découpés en disques. Durant le processus de solidification se forment des structures cristallines de différentes dimensions, qui présentent à leur surface quelques défauts. Le rendement de ce type de cellules est par conséquent légèrement inférieur. Les cellules de silicium multicristallines sont généralement carrées ou rectangulaires. L’aspect «taché» et «brillant» de leur surface est caractérisé par leur nature multicristalline.
Silicium amorphe (a-Si)
Le silicium amorphe n’est pas organisé en structure cristalline et la cellule est caractérisée par une mince couche de semi-conducteur (couche mince). Elle a un coût de 30-40% inférieur au silicium mono et multicristallin avec un rendement également mineur.
Séléniure de cuivre indium (CIS) et Séléniure di cuivre, indium et gallium (CIGS)
Toutes deux ont une efficacité supérieure au silicium amorphe, mais elles sont encore peu répandues en raison de leur coût élevé. Deux inconvénients de ce type de technologie sont la disponibilité limitée de l’indium (ln) et les traces de cadmium (Cd) et d’autres matériaux toxiques en production.
Cadmium telluride (CdTe)
C’est un nouveau semi-conducteur de rendement supérieur à celui actuellement employé. Cette technologie a un faible coût de production et un bon Energy-Pay-Back Time. Ses inconvénients sont identiques à ceux de la technologie précédente; la disponibilité d’indium (In) et les traces de matériaux toxiques (comme le cadmium) lors de la production.
Cellules mutli-jonction
Pour augmenter l’efficacité totale de la cellule, cette dernière est réalisée avec plusieurs couches de matériau semi-conducteur contenant des interstices d’énergie différents (différentes réponses spectrales), de façon à ce que chacune puisse absorber de manière optimale les photons d’une certaine portée d'énergie.
|Tecnologia fotovoltaica||Efficienza modulo [%]||Potenza per m2 di moduli PV [Wp]||Spazio necessario per 1kWp [m2]|
|sc-Si||14-21||140-210||5-7|
|mc-Si||12-18||120-180||6-8|
|a-Si||4-10||40-100||10-25|
|CIS, CIGS||9-13||90-130||8-11|
|CdTe||12-14||120-140||7-8|
|Celle multigiunzione||7-9||70-90||11-14|
Troisième génération
Le domaine des cellules solaires organiques comprend l’ensemble des dispositifs dont la partie photoactive est basée sur les composants organiques du carbone. La structure de base d’une cellule organique est dite "à sandwich" et est composée d’un substrat en verre polymérique flexible, et forme un ou plusieurs films très fins, qui contiennent les matières photoactives, interposés entre deux électrodes conductrices. Les cellules organiques plus efficaces s’inspirant du processus de photosynthèse chlorophylle, utilisent un mélange de matières dans lesquelles un pigment absorbe le rayonnement solaire et les autres composants extraient la charge pour produire de l'électricité. La gamme des pigments qui peuvent être utilisés comprend ceux à base végétale, les polymères et les molécules synthétisées. La gamme des cellules solaires organiques est ample et se trouve à différents stades de la recherche et de la maturation technologique et comprend, en synthèse, les cellules «dye sensitized» (dont la partie active photoélectrique se compose d'un pigment, d'oxyde de titane et d’un électrolyte), organique (dont la partie active est totalement organique ou polymère), hybride organique/inorganique et hybride organique. Ces dernières sont particulièrement intéressantes pour la biocompatibilité du matériau photosensible utilisé dans certains prototypes de laboratoire. Une efficacité maximum de 10% à 12% et une durée de vie de plusieurs années ont été mesurées en laboratoire pour des cellules DSCC. Dans la construction du panneau, il est possible d'utiliser certaines techniques de scénarisation à faible coût, telles que l'impression à jet d'encre, dans laquelle le matériau photovoltaïque peut être déposé sur de grandes surfaces et à coût très réduits, en solution liquide comme de véritables encres à l'air libre, réduisant l'impact environnemental et les coûts de production. Plusieurs composants DSCC et polymériques sont déjà en production et disponibles sur le marché.
(Source: www.chose.uniroma2.it)
Concentrateurs solaires luminescents (LSCs)
Les CSL (acronyme de Luminescent Solar Concentrators) sont fabriqués à partir de panneaux de matériau transparent (plastique ou verre) dans lequel des colorants fluorescents qui absorbent une partie de la lumière solaire sont dispersés et émettent à l'intérieur du panneau même. Le rayonnement émis, qui exploite le phénomène de réflexion interne totale utilisé dans les fibres optiques, est dirigé vers les bords minces du panneau où il est concentré sur des cellules solaires de petite surface, qui le transforme en énergie électrique.