Source : www.energy.gov
Lorsque la lumière brille sur une cellule photovoltaïque (PV) – également appelée cellule solaire – cette lumière peut être réfléchie, absorbée ou passer à travers la cellule. La cellule PV est composée d'un matériau semi-conducteur ; le « semi » signifie qu'il peut conduire l'électricité mieux qu'un isolant mais pas aussi bien qu'un bon conducteur comme un métal. Il existe plusieurs matériaux semi-conducteurs différents utilisés dans les cellules photovoltaïques.
Lorsque le semi-conducteur est exposé à la lumière, il absorbe l'énergie de la lumière et la transfère à des particules chargées négativement dans le matériau appelé électrons. Cette énergie supplémentaire permet aux électrons de traverser le matériau sous forme de courant électrique. Ce courant est extrait par des contacts métalliques conducteurs - les lignes en forme de grille sur des cellules solaires - et peut ensuite être utilisé pour alimenter votre maison et le reste du réseau électrique.
L'efficacité d'une cellule PV est simplement la quantité d'énergie électrique sortant de la cellule par rapport à l'énergie de la lumière qui l'éclaire, ce qui indique l'efficacité de la cellule à convertir l'énergie d'une forme à l'autre. La quantité d'électricité produite à partir des cellules photovoltaïques dépend des caractéristiques (telles que l'intensité et les longueurs d'onde) de la lumière disponible et des multiples attributs de performance de la cellule.
Une propriété importante des semi-conducteurs photovoltaïques est la bande interdite, qui indique les longueurs d'onde de la lumière que le matériau peut absorber et convertir en énergie électrique. Si la bande interdite du semi-conducteur correspond aux longueurs d'onde de la lumière qui brille sur la cellule PV, alors cette cellule peut utiliser efficacement toute l'énergie disponible.
Apprenez-en plus ci-dessous sur les matériaux semi-conducteurs les plus couramment utilisés pour les cellules photovoltaïques.
SILICIUM
Le silicium est de loin le matériau semi-conducteur le plus couramment utilisé dans les cellules solaires, représentant environ 95 % des modules vendus aujourd'hui. C'est également le deuxième matériau le plus abondant sur Terre (après l'oxygène) et le semi-conducteur le plus couramment utilisé dans les puces informatiques. Les cellules de silicium cristallin sont constituées d'atomes de silicium connectés les uns aux autres pour former un réseau cristallin. Ce treillis fournit une structure organisée qui rend la conversion de la lumière en électricité plus efficace.
Les cellules solaires fabriquées à partir de silicium offrent actuellement une combinaison de rendement élevé, de faible coût et de longue durée de vie. Les modules devraient durer 25 ans ou plus, produisant toujours plus de 80 % de leur puissance d'origine après cette période.
PHOTOVOLTAQUE À COUCHE MINCE
Une cellule solaire à couche mince est fabriquée en déposant une ou plusieurs couches minces de matériau photovoltaïque sur un matériau de support tel que le verre, le plastique ou le métal. Il existe deux principaux types de semi-conducteurs photovoltaïques à couche mince sur le marché aujourd'hui : le tellurure de cadmium (CdTe) et le diséléniure de cuivre et d'indium et de gallium (CIGS). Les deux matériaux peuvent être déposés directement sur l'avant ou l'arrière de la surface du module.
Le CdTe est le deuxième matériau photovoltaïque le plus courant après le silicium, et les cellules CdTe peuvent être fabriquées à l'aide de procédés de fabrication à faible coût. Bien que cela en fasse une alternative rentable, leur efficacité n'est toujours pas aussi élevée que celle du silicium. Les cellules CIGS ont des propriétés optimales pour un matériau PV et des rendements élevés en laboratoire, mais la complexité impliquée dans la combinaison de quatre éléments rend la transition du laboratoire à la fabrication plus difficile. Le CdTe et le CIGS nécessitent plus de protection que le silicium pour permettre un fonctionnement durable à l'extérieur.
PHOTOVOLTAQUE PEROVSKITE
Les cellules pérovskitesolaires sont un type de cellule à couche mince et portent le nom de leur structure cristalline caractéristique. Les cellules de pérovskite sont construites avec des couches de matériaux qui sont imprimés, enduits ou déposés sous vide sur une couche de support sous-jacente, connue sous le nom desubstrat.Ils sont généralement faciles à assembler et peuvent atteindre des rendements similaires à ceux du silicium cristallin. En laboratoire, l'efficacité des cellules solaires à pérovskite s'est améliorée plus rapidement que tout autre matériau photovoltaïque, passant de 3 % en 2009 à plus de 25 % en 2020. Pour être commercialement viables, les cellules photovoltaïques à pérovskite doivent devenir suffisamment stables pour survivre 20 ans à l'extérieur. travaillent à les rendre plus durables et développent des techniques de fabrication à grande échelle et à faible coût.
PHOTOVOLTAQUE ORGANIQUE
Les cellules PV organiques, ou OPV, sont composées de composés riches en carbone (organiques) et peuvent être adaptées pour améliorer une fonction spécifique de la cellule PV, telle que la bande interdite, la transparence ou la couleur. Les cellules OPV ne sont actuellement qu'environ la moitié de l'efficacité des cellules au silicium cristallin et ont des durées de vie plus courtes, mais pourraient être moins coûteuses à fabriquer en grands volumes. Ils peuvent également être appliqués à une variété de matériaux de support, tels que le plastique flexible, ce qui permet au VPO de servir une grande variété d'utilisations.
POINTS QUANTIQUES
Les cellules solaires à points quantiques conduisent l'électricité à travers de minuscules particules de différents matériaux semi-conducteurs de quelques nanomètres de large, appelées points quantiques. Les points quantiques offrent une nouvelle façon de traiter les matériaux semi-conducteurs, mais il est difficile de créer une connexion électrique entre eux, ils ne sont donc actuellement pas très efficaces. Cependant, ils sont faciles à transformer en cellules solaires. Ils peuvent être déposés sur un substrat à l'aide d'une méthode de spin-coat, d'un spray ou d'imprimantes roll-to-roll comme celles utilisées pour imprimer les journaux.
Les points quantiques sont disponibles en différentes tailles et leur bande interdite est personnalisable, ce qui leur permet de collecter la lumière difficile à capturer et d'être associés à d'autres semi-conducteurs, comme les pérovskites, pour optimiser les performances d'une cellule solaire multijonction (plus d'informations ci-dessous).
PHOTOVOLTAQUE MULTIJONCTIONS
Une autre stratégie pour améliorer l'efficacité des cellules photovoltaïques consiste à superposer plusieurs semi-conducteurs pour fabriquer des cellules solaires à jonctions multiples. Ces cellules sont essentiellement des empilements de différents matériaux semi-conducteurs, par opposition aux cellules à simple jonction, qui n'ont qu'un seul semi-conducteur. Chaque couche a une bande interdite différente, de sorte qu'elles absorbent chacune une partie différente du spectre solaire, utilisant davantage la lumière du soleil que les cellules à simple jonction. Les cellules solaires multijonctions peuvent atteindre des niveaux d'efficacité record car la lumière qui n'est pas absorbée par la première couche semi-conductrice est capturée par une couche située en dessous.
Alors que toutes les cellules solaires avec plus d'une bande interdite sont des cellules solaires à multijonctions, une cellule solaire avec exactement deux bandes interdites est appelée cellule solaire tandem. Les cellules solaires multijonctions qui combinent les semi-conducteurs des colonnes III et V dans le tableau périodique sont appelées cellules solaires multijonctions III-V.
Les cellules solaires multijonctions ont démontré des rendements supérieurs à 45 %, mais elles sont coûteuses et difficiles à fabriquer, elles sont donc réservées à l'exploration spatiale. L'armée utilise des cellules solaires III-V dans des drones, et les chercheurs explorent d'autres utilisations pour lesquelles une efficacité élevée est essentielle.
PHOTOVOLTAQUE À CONCENTRATION
Le PV à concentration, également connu sous le nom de CPV, concentre la lumière du soleil sur une cellule solaire à l'aide d'un miroir ou d'une lentille. En concentrant la lumière du soleil sur une petite zone, moins de matériel photovoltaïque est nécessaire. Les matériaux PV deviennent plus efficaces à mesure que la lumière devient plus concentrée, de sorte que les efficacités globales les plus élevées sont obtenues avec les cellules et modules CPV. Cependant, des matériaux plus coûteux, des techniques de fabrication et la capacité de suivre le mouvement du soleil sont nécessaires. Il est donc devenu difficile de démontrer l'avantage de coût nécessaire par rapport aux modules de silicium à haut volume' d'aujourd'hui.