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Comment fonctionnent les cellules photovoltaïques ?

par Ines Evrain

Le fonctionnement d’un panneau solaire repose principalement sur un élément : les cellules photovoltaïques. Vous pouvez les voir à l’œil nu, car elles forment les modules, ces carrés qui composent les panneaux photovoltaïques, mais connaissez-vous leur fonctionnement ? Dans cet article, nous vous expliquons tout ce qu’il faut savoir sur les cellules solaires : leur rôle, leur fonctionnement, mais aussi leur puissance !

panneau solaire polycristallin role

Qu’est-ce qu’une cellule photovoltaïque ?

La cellule photovoltaïque joue un rôle majeur sur le panneau solaire

La cellule photovoltaïque est un composant électronique, constitué principalement de semi-conducteurs. Les cellules sont confectionnées en grande majorité en silicium, qui permet justement d’exécuter ce rôle de semi-conducteur. Son rôle est de capter la lumière du soleil afin de la transformer en électricité et que l’onduleur va transformer en courant alternatif en vue d’alimenter les équipements de votre logement.Cette énergie peut aussi être stockée dans une batterie.

Plusieurs cellules sont réunies sur le panneau solaire afin de former un module. Les modules sont des entités qui produisent de l’électricité grâce à l’énergie solaire. La cellule elle-même est un empilement de plusieurs couches, dont les principales sont :

  • la couche active, qui permet d’absorber l’énergie solaire ;
  • les contacts métalliques avant et arrière, composés d’électrodes positifs et négatifs. Ces électrodes collectent le courant généré ;
  • des couches supplémentaires permettant d’améliorer l’efficacité de la cellule.

Dans un panneau solaire, on trouve entre 36 et 120 cellules, selon la surface de l’installation. Le plus souvent, les cellules photovoltaïques ont une épaisseur de 0,2 millimètres.

Les différents types de cellules photovoltaïques

Il existe plusieurs types de cellules photovoltaïques :

  • la cellule photovoltaïque en silicium monocristallin ;
  • la cellule photovoltaïque en silicium polycristallin ;
  • la cellule photovoltaïque en silicium amorphe ;
  • la cellule photovoltaïque en couches minces de tellurure cadmium.

Selon les matériaux utilisés pour la confection de ces cellules, elles seront plus ou moins efficaces. C’est d’ailleurs l’efficacité qui permet d’arbitrer entre monocristallins ou polycristallins, car la différence entre les deux est faible. Le modèle de cellule le plus efficace est sans aucun doute celui composé de silicium monocristallin, mais c’est aussi le plus coûteux !

Comment les cellules photovoltaïques produisent-elles de l’électricité ?

Le fonctionnement de la cellule photovoltaïque

La composition de la cellule photovoltaïque est au cœur de son fonctionnement. En effet, elle est organisée en différentes zones, qui jouent chacune un rôle primordial dans la production d’électricité. On trouve ainsi :

  • la zone de contact (face extérieure) ;
  • une zone dopée négativement d’un semi-conducteur (couche dopée n) ;
  • une zone dopée positivement d’un semi-conducteur (couche dopée p) ;
  • une seconde zone de contact, du côté de la toiture.

Les cellules sont principalement composées d’un matériau semi-conducteur, le silicium. Afin d’en augmenter la conductivité chimique, les cellules sont dopées de deux types de semi-conducteurs, le phosphore et le bore. Cette opération vise à créer un surplus d’électrons, ce qui est utile par la suite pour pouvoir utiliser le phénomène photoélectrique propre au fonctionnement de la cellule photovoltaïque.

Le phénomène photoélectrique

Le phénomène photoélectrique, communément appelé effet photovoltaïque, est celui qui permet aux cellules photovoltaïques de produire de l’électricité grâce à l’énergie lumineuse du soleil et à la réaction du silicium à la lumière. Les photons contenus dans la lumière du soleil traversent la cellule, et arrachent au passage des électrons. Cette réaction permet de produire de l’électricité, à condition que l’on parvienne à faire circuler les électrons dans un sens donné. Pour ce faire, il faut un déficit d’électrons dans la couche dopée n et un surplus d’électrons dans la couche dopée p. C’est le cas entre les différentes plaques qui composent une cellule, grâce au dopage en phosphore et en bore

Cette différence de polarité permet de créer un courant électrique. Concrètement, les photons présents dans les rayons du soleil tapent sur la surface du panneau solaire, puis les électrons générés par les cellules photovoltaïques traversent les différentes plaques qui les composent. Ces déplacements créent le courant nécessaire pour transporter l’énergie solaire. Il est ensuite impératif de transformer le courant continu en courant alternatif, pour pouvoir alimenter vos appareils électriques : c’est le rôle de l’onduleur, autre pièce clé des panneaux solaires !

panneaux solaires cellules modules

Et la puissance dans tout ça ?

Quelle est la puissance d’une cellule photovoltaïque ?

La puissance crête d’une cellule photovoltaïque se mesure en watt-crête (Wc), et désigne la puissance électrique d’une cellule, ou d’un panneau en général. Elle permet de comparer les différents panneaux solaires entre eux, et d’estimer la production d’une installation photovoltaïque.

Cette puissance dépend du type de cellule que votre installateur aura choisi. Ainsi, les panneaux solaires en silicium monocristallin sont réputés pour être les plus performants. C’est donc ces cellules que l’on retrouve le plus souvent sur le marché. Uniformes et d’aspect sombre, elles captent non seulement la lumière directe provenant du soleil, mais également les rayonnements diffus (comme la luminosité renvoyée par les nuages par exemple). De leur côté, les panneaux en silicium polycristallin, eux, sont bleutés : il est même possible d’apercevoir les reflets des cristaux qui les composent ! Moins chers que les panneaux solaires en silicium monocristallin, ils ont également une durée de vie plus restreinte.

Les technologies en matière de cellules photovoltaïques ne cessent de se développer, grâce à l’essor de l’énergie solaire (par exemple, on trouve aujourd’hui des cellules presque aussi transparentes que du verre !). Ainsi, il existe deux types de cellules solaires moins répandus pour le moment, mais tout aussi plébiscitées :

  • les cellules photovoltaïques à couche mince, qui peuvent être transparentes et font preuve d’une grande performance énergétique ;
  • les cellules photovoltaïques organiques, créées à partir de molécules simples et à prix plus bas.

Puissance et rendement : quel est le lien ?

Le rendement d’une cellule photovoltaïque est le rapport entre l’énergie qu’elle capte et l’énergie électrique qu’elle produit. Il dépend de la puissance crête (Wc) de celui-ci, mais également de l’ensoleillement et de la température. En effet, 1 Watt-crête  ne produira pas la même énergie dans toutes les régions ! Le rendement d’un panneau solaire photovoltaïque est ainsi plus important dans le Sud que celui d’un panneau situé au Nord. 
Pour calculer le rendement de votre installation solaire et estimer la rentabilité de votre projet, il vous faut prendre en compte ces éléments. Le résultat est toutefois à considérer avec précaution : il ne s’agit pas en effet d’une donnée fixe, mais plutôt d’une estimation, qui peut varier en fonction d’aléas tels que le degré d’ensoleillement d’une année à l’autre. Les rendements de vos panneaux peuvent donc s’en trouver modifiés. Installer des panneaux solaires chez vous représente un coût non négligeable, c’est pourquoi estimer le rendement de votre installation est plus qu’important avant de vous lancer dans les travaux !

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