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La cellule photovoltaique

Article publié le Jeudi 01 janvier 1970

Avec un fonctionnement basé sur les propriétés des matériaux semi-conducteurs, la cellule photovoltaïque est comparable à une diode photosensible. Elle permet de convertir l’énergie lumineuse directement en énergie électrique et est constituée de 2 couches minces d’un semi-conducteur dopées de manière différente et présentent donc de différents potentiels : apport d’électrons périphériques (pour la couche N), et déficit d’électrons (pour la couche P).

Les électrons de la couche N, pour franchir la barrière de potentiel et engendrer un courant électrique continu, captent l’énergie des photons lumineux, en se servant des électrodes déposées par sérigraphie sur les deux couches de semi-conducteur. Pour augmenter la quantité de lumière absorbée, une couche antireflet est déposée sur l’électrode supérieure après que celle-ci ait permit le passage des rayons lumineux.
La cellule photovoltaïque utilise le plus souvent comme matériau, le silicium, semi-conducteur de type IV qui pouvant se lier avec quatre autres atomes de même nature est qualifié de tétravalent. La production de la cellule nécessitant de l’énergie, elle doit fonctionner pendant 2 à 3 ans pour produire suivant sa technologie, l’énergie qui a servi à sa fabrication. Les cellules sont assemblées pour former un module ou panneau (la cellule individuelle ne produisant qu’1 à 3 W avec une tension de moins d’un volt), afin donc de produire plus de puissance. Vu que la mise en parallèle accroît le courant en conservant la tension pendant que les connections en série de plusieurs cellules augment pour un même courant la tension, le courant de sortie sera proportionnel à la surface du module ainsi que la puissance.  Cette cellules bien que fiable, ne nécessitant pas de pièces mobiles, ne requérant pas un entretient intensif et n’ayant que peu ou aucun coût de fonctionnement, a quand même un coût de fabrication élevé, fonctionne par intermittence, dépend de l’ensoleillement et ne produit qu’un faible rendement. Les autres types de cellules photovoltaïques sont :

  La cellule multi-jonction :

les différentes couches permettent d’obtenir les meilleurs rendements de conversion en convertissant les différentes parties du spectre solaire. Son rendement est inégalé (rendement record en laboratoire : environ 40% sous une concentration de 240 soleils), il est développé pour des applications spatiales mais n’a pas encore d’application commerciale.

La cellule en silicium monocristallin

  La cellule en silicium monocristallin  est en général d’un bleu uniforme et provient de la solidification du silicium fondu formant un cristal découpé en tranches fines. Elle a un très bon rendement (près de 150 Wc/m2), une durée de vie importante (à peu près 30 ans), mais a un coût élevé et un faible rendement quand l’éclairement est lui aussi faible. Le rendement module commercial varie de 12 à 20% et celui record en laboratoire est d’environ 25%.

La cellule en silicium polycristallin

La cellule en silicium polycristallin  est bleue aussi, mais pas uniforme (on distingue les motifs créés par les différents cristaux) et provient elle aussi du refroidissement du silicium. Elle a la même durée de vie que la cellule monocristalline mais bénéficie d’un meilleur marché (rapport qualité/prix), et son rendement est d’environ 100 Wc/m2. Il est faible sous un faible éclairement : celui module commercial varie entre 11 et 15% et celui record en laboratoire est d’environ 20%.

La cellule de type CIS (cuivre-indium-sélénium)

 La cellule de type CIS (cuivre-indium-sélénium)  est sous forme de films minces de type CIS dont les matières premières utilisées pour leur fabrication sont plus faciles à trouver que le silicium utilisé dans les cellules photovoltaïque classique. Elle offre de meilleurs rendements que les autres cellules, permet de se libérer du silicium, n’est pas toxique et peut être construite sur un substrat flexible. Toutefois, cette cellule en couche mince nécessite une surface plus importante pour avoir un rendement égal à celui des couches épaisses.

La cellule silicium amorphe

 La cellule silicium amorphe : a une couleur grise très foncé ou marron et provient du gaz libéré par le silicium lors de sa transformation et projeté sur une feuille de verre (c’est celle utilisée pour les calculatrices et montres solaires). Elle fonctionne avec un éclairement faible, est vendu bon marché et est pas trop sensible aux températures élevées. Pourtant son rendement est faible en plein soleil. Sa durée de vie est de près de 1 ans et ses performances diminuent au fur et à mesure.

 

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