Les cellules photovoltaïques : source inépuisable d’innovations

publié le 26/02/2021 | mis à jour le 17/06/2023 | par Julien Reynaud

Qu’est-ce qu’une cellule photovoltaïque ?

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui produit de l’électricité lorsqu’il est exposé à la lumière. Le plus souvent, elle est constituée de semi-conducteurs fabriqués à base de silicium, l’un des éléments les plus abondants sur terre mais délicat à transformer. Récemment, des technologies reposant sur d’autres semi-conducteurs, comme le tellurure de cadmium notamment, ont été développées.

Brève histoire de la cellule photovoltaïque

La première cellule photovoltaïque a été mise au point par un inventeur américain, Charles Fritts, en 1883. Son rendement était très faible et sa fabrication, qui utilisait notamment de l’or, très coûteuse. Toutefois, elle a trouvé une application concrète un an seulement après son invention avec la pose sur le toit d’un bâtiment new-yorkais du premier panneau solaire de l’histoire produisant de l’électricité.

Peu d’inventions peuvent se vanter d’offrir une application concrète si rapidement. Pour autant, les faibles rendements des premières cellules photovoltaïques empêchèrent tout développement industriel. Ce n’est qu’avec les débuts de la conquête spatiale que les premiers panneaux solaires affichant un rendement acceptable seront utilisés pour alimenter en électricité des satellites.

Il faudra attendre plus d’un siècle après les travaux de Charles Fritts pour que l’énergie photovoltaïque s’impose comme l’une des sources d’énergie renouvelable les plus utilisées, grâce notamment, aux aides financières des États. Longtemps, les coûts de fabrication élevés des cellules photovoltaïques et leur relative fragilité les ont cantonnés à des marchés de niche.

Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque

Le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque est relativement simple. Un semi-conducteur présentant une face négative et une face positive, du silicium par exemple, est exposé à la lumière. En percutant les atomes de silicium, les photons mettent en mouvement des électrons qui se déplacent dans des directions différentes selon leur charge. C’est ce déplacement d’électrons qui génère un courant électrique.

Pour que les électrons soient attirés d’un côté ou de l’autre du dispositif, la cellule photovoltaïque doit posséder une face négative et une face positive. Le silicium utilisé en surface est donc préalablement chargé, ou « dopé », négativement en lui adjoignant du phosphore. De même, le silicium utilisé au dos de la cellule photovoltaïque est chargé positivement avec du bore.

C’est cette différence de charge entre la face inférieure et la face supérieure qui entraîne le mouvement des électrons, comme l’illustre le visuel ci-dessous :

En libérant des électrons à la surface du silicium qui sont ensuite attirés d’un côté ou de l’autre de la cellule photovoltaïque, l’énergie lumineuse est ainsi transformée en énergie électrique. Le mouvement des électrons crée un courant continu qui est ensuite transformé en courant alternatif grâce à un onduleur afin de pouvoir être utilisé ou bien stocké dans une batterie.

Un matériau de base : le silicium

Le matériau le plus utilisé pour la fabrication des cellules photovoltaïques est le silicium que l’on obtient à partir de la silice abondamment présente dans le sable ou le quartz. Produit sous forme de lingot quasiment pur, le silicium est ensuite découpé en fines tranches, appelées wafers, qui sont traitées pour obtenir une face positive et une face négative afin d’en faire des cellules photovoltaïques.

La silice est très largement disponible et peu chère. C’est sa transformation en silicium, puis la découpe et le traitement chimique des wafers qui sont responsables du coût élevé, autant financier qu’environnemental, que représente la fabrication des cellules photovoltaïques à base de silicium. Selon les procédés utilisés, différents types de silicium peuvent être obtenus :

• amorphe ;
• polycristallin ;
• monocristallin.

Récemment, le recours à d’autres matériaux est à l’étude pour répondre à l’explosion de la demande mondiale en panneaux photovoltaïques en trouvant des procédés moins coûteux et plus propres. L’utilisation du cuivre ou de matières plastiques, notamment, semble pouvoir offrir des perspectives intéressantes mais les rendements sont encore trop insuffisants pour faire de l’ombre au silicium.

Perspectives de développement

Malgré l’essor de l’énergie photovoltaïque, qui connaît une croissance exponentielle depuis une vingtaine d’années, la part du solaire dans le mix énergétique mondial demeure très minoritaire. En cause, notamment, un coût de revient encore trop important, les problèmes de fiabilité et d’espérance de vie posées par les cellules photovoltaïques et l’intermittence de l’énergie solaire.

Le solaire photovoltaïque dans la production d’électricité en France et dans le monde en 2019 :

Le photovoltaïque demeure néanmoins l’une des meilleures alternatives disponibles pour prendre le relais des énergies carbonées et nucléaires. La recherche se concentre donc aujourd’hui sur l’élaboration de cellules photovoltaïques plus résistantes à l’usure du temps et des intempéries, capables de capter toutes les longueurs d’onde du spectre solaire et utilisant moins de silicium.

L’industrie essaye notamment de réduire l’épaisseur des wafers en silicium ou d’améliorer le rendement des autres semi-conducteurs utilisés pour fabriquer des cellules photovoltaïques. Des concepts alternatifs misent également sur la concentration de la lumière ou sur des technologies permettant aux cellules photovoltaïques de suivre la course du soleil pour améliorer leur rendement.

Les différents types de cellules photovoltaïques : avantages et inconvénients

L’énergie solaire, captée par des cellules photovoltaïques et transformée en électricité, semble offrir l’une des réponses les plus prometteuses aux défis imposés par la transition énergétique. En fonction des applications envisagées, différents types de cellules photovoltaïques ont été mis au point, avec chacun leurs avantages et leurs inconvénients.

Les cellules photovoltaïques en silicium amorphe

Ce sont les cellules photovoltaïques les moins chères à fabriquer. Elles équipent principalement les montres et les calculettes « solaires ». Le silicium de ces cellules bénéficie d’un traitement par dépôts sous vide de différents gaz. Ces cellules photovoltaïques en silicium amorphe peuvent générer de l’électricité même avec un éclairage faible ou diffus, y compris sous éclairage artificiel.

De couleur noire, facilement intégrables sur de petits appareils électriques sur support souple ou rigide, elles ont comme inconvénient d’offrir un très faible rendement (5 à 7 %) et d’afficher des performances qui déclinent rapidement avant de se stabiliser à un niveau assez bas. Elles ne sont pas destinées à produire d’importantes quantités d’électricité, même avec une surface importante.

L’espérance de vie d’une cellule photovoltaïque en silicium amorphe peut dépasser en théorie plusieurs décennies mais son rendement baisse inexorablement année après année.

Les cellules photovoltaïques en silicium polycristallin

C’est la technologie la plus répandue. Elle est notamment majoritairement utilisée pour la fabrication des panneaux solaires photovoltaïques des grandes centrales solaires ou des petites installations domestiques. Le silicium utilisé est constitué de multiples petits cristaux, ou cristallites ; reliés entre eux par des joints de grains ; d’aspect bleuté et assemblés sous forme de cellules carrées.

Les cellules photovoltaïques en silicium polycristallin offrent un rendement correct, de l’ordre de 14 à 18 %, pour un coût de fabrication acceptable. Toutefois, leur production d’électricité n’est optimale qu’avec une bonne exposition au soleil, en milieu de journée essentiellement. Elles demeurent à ce jour la solution offrant le meilleur rapport rendement/prix.

L’assemblage de différents cristaux confère au silicium polycristallin une couleur bleu marbré. La durée de vie d’une cellule photovoltaïque en silicium polycristallin peut atteindre plusieurs dizaines d’années mais ses performances baissent très significativement après 25 ans d’utilisation.

Les cellules photovoltaïques en silicium monocristallin

Contrairement aux cellules en silicium polycristallin, les cellules en silicium monocristallin sont d’un seul tenant. Lors de son refroidissement, le silicium forme un unique cristal de grande dimension qui est ensuite découpé en fine tranche pour obtenir des cellules photovoltaïques d’un bleu uniforme. Cette technique est sensiblement plus coûteuse que celle utilisée pour le silicium polycristallin.

Le photovoltaïque monocristallin offre en revanche un meilleur rendement que le polycristallin, jusqu’à 25 %, mais nécessite, lui aussi, une bonne exposition au rayon du soleil. Cette technologie sert à fabriquer les panneaux solaires haut de gamme, comme les panneaux aérovoltaïques qui utilisent l’énergie solaire pour produire à la fois de l’électricité et de la chaleur.

De couleur gris-noir, les cellules photovoltaïques en silicium monocristallin ont un aspect métallique homogène. Leur espérance de vie est de 40 ans environ, mais comme pour le silicium polycristallin, leurs performances ont tendance à baisser rapidement passé 25 ans d’utilisation.

Les cellules photovoltaïques à pérovskites

Les cellules photovoltaïques à pérovskites (un terme générique qui désigne un groupe de matériaux semi-conducteurs à structure cristalline) ont commencé à être développées depuis la fin des années 2000. Elles sont composées d’un matériau hybride organique-inorganique à base de plomb ou d’étain. En une dizaine d’années seulement, le rendement de ce type de cellule est passé d’environ 4 % à plus de 25 % en 2019, laissant présager un développement industriel imminent.

Toutefois, certains obstacles retardent la commercialisation des cellules à pérovskites. Malgré un rendement intéressant, supérieur au silicium polycristallin notamment, les problèmes liés à leur instabilité et à leur faible résistance à l’eau, à la chaleur et aux UV, n’ont pas été totalement résolus. L’utilisation de métaux toxiques pour leur fabrication est également un frein à leur diffusion.

Les cellules photovoltaïques tandem

Cette technologie demeure au stade expérimental mais s’avère prometteuse. Elle consiste à empiler sur un même support deux cellules photovoltaïques différentes, l’une en silicium amorphe et l’autre en silicium polycristallin par exemple, afin de pouvoir absorber un spectre lumineux plus large et ainsi optimiser le rendement de la cellule tout au long de la journée.

La fabrication d’une cellule photovoltaïque tandem est néanmoins coûteuse et complexe, ce qui empêche jusqu’à présent une application industrielle à grande échelle. Néanmoins, l’association inédite de pérovskites au silicium tentée par des chercheurs italiens a permis d’obtenir un rendement supérieur à 26 %, un exploit scientifique de bon augure pour le développement de cette technologie.

Les cellules photovoltaïques CIGS

Le sigle CIGS correspond aux éléments chimiques qui composent ce type de cellules photovoltaïques, à savoir :

• le cuivre ;
• l’indium ;
• le gallium ;
• le sélénium.

Cet alliage permet d’obtenir un matériau semi-conducteur qu’on dépose en minces couches sur une plaque de plastique ou de verre pour constituer une cellule photovoltaïque, souple ou rigide, très résistante.

Cette technologie permet de se passer du coûteux silicium tout en atteignant des rendements légèrement inférieurs à 20 %. Elle utilise également des éléments dépourvus de toxicité pour l’homme ou pour l’environnement. Néanmoins, la fabrication des cellules CIGS de bonne qualité reste onéreuse et nécessite de l’indium, un minéral rare dont les réserves mondiales seront bientôt épuisées.

Les cellules photovoltaïques au tellurure de cadmium

Le tellurure de cadmium est un semi-conducteur très intéressant pour produire de l’électricité car même une très fine couche suffit pour capter une quantité de lumière importante, y compris quand la luminosité baisse, comme en début ou en fin de journée. Ce matériau résiste également mieux à la chaleur que le silicium et permet d’offrir un rendement honorable de l’ordre de 12 à 13 %.

Ces nombreuses qualités, associées à un coût de fabrication deux à trois fois inférieur à celui d’une cellule en silicium polycristallin, ont permis aux cellules photovoltaïques au tellurure de cadmium de conquérir plus de 6 % du marché mondial du photovoltaïque. Toutefois, la rareté du tellurure et la toxicité du cadmium représentent des obstacles majeurs à un développement plus important.

Les cellules photovoltaïques multi-jonctions

Les cellules photovoltaïques multi-jonctions affichent des rendements spectaculaires dépassant allégrement les 40 %. Elles sont composées de plusieurs couches de différents semi-conducteurs empilées les unes sur les autres qui permettent d’exploiter une large part du spectre lumineux afin d’augmenter au maximum l’efficacité des panneaux photovoltaïques.

Cette technologie de pointe qui permet d’obtenir les meilleures cellules photovoltaïques du marché demeure cependant très coûteuse. Elle est pour le moment uniquement réservée à l’industrie spatiale pour laquelle le rapport masse/rendement est toujours prépondérant sur la question du prix lorsqu’il s’agit d’envoyer en orbite des satellites les plus légers possibles.

Les cellules photovoltaïques multi-jonctions à puits quantique

Une des pistes les plus intéressantes pour optimiser le rendement des cellules solaires consiste à les associer à des concentrateurs photovoltaïques composés de lentilles et de miroirs qui concentrent la lumière afin d’augmenter la quantité de photons reçue par les cellules. Néanmoins, cette technologie coûteuse ne permet pas en pratique d’augmenter significativement les rendements.

En effet, la plupart des semi-conducteurs atteignent déjà leur capacité maximale avec une luminosité normale. En multipliant les couches de différents matériaux et en piégeant l’énergie solaire dans des puits quantiques, il serait en théorie possible de rendre plus efficace l’utilisation de concentrateurs photovoltaïques. Aucune application concrète n’est cependant envisagée à court ou moyen terme.

Les cellules photovoltaïques organiques

Sans doute moins spectaculaire que la physique quantique, l’utilisation de polymères pourrait bien apporter dans un futur proche une réponse idoine à l’explosion de la demande mondiale en panneaux photovoltaïques. Il s’agirait tout simplement de fabriquer des cellules solaires à bas coûts, légères, souples ou rigides à l’aide de composés organiques, en l’occurrence de simples matières plastiques.

Les premières expérimentations n’ont pas permis d’obtenir des rendements très performants, moins de 5 % en moyenne. La résistance de ces cellules en plastique à l’exposition à la lumière et à l’humidité semble également peu probante. Néanmoins, de récents travaux ont permis d’atteindre en laboratoire un rendement de 25 %, de bon augure pour un futur développement commercial de cette technologie.

Retrouvez dans le tableau ci-dessous le récapitulatif des avantages et des inconvénients des différents types de cellules photovoltaïques :

Quel recyclage pour les cellules photovoltaïques ?

Alors que les premières générations de panneaux solaires installées il y a trente ou quarante ans arrivent aujourd’hui en fin de vie, la question du recyclage des cellules photovoltaïques commence à devenir un sujet incontournable. Bonne nouvelle, des techniques existent et devraient même devenir économiquement viables avec l’augmentation du volume de déchets à traiter chaque année.

Pour le moment, les solutions envisagées ne concernent que le recyclage des cellules en silicium amorphe, polycristallin et monocristallin qui représentent toutefois l’immense majorité du marché. Grâce notamment à des procédés thermiques et chimiques, le silicium peut être séparé des autres composants et être à nouveau utilisé pour fabriquer des cellules photovoltaïques neuves.

Les différentes applications des cellules photovoltaïques

Malgré une chute vertigineuse du prix des panneaux solaires ces dernières années, le photovoltaïque demeure l’une des énergies renouvelables les plus chères à exploiter. C’est aussi la plus jeune, la plus innovante et celle qui offre le plus de perspectives. En fonction de la technologie utilisée, elle trouve des applications multiples, que ce soit pour alimenter en électricité des satellites ou de petits gadgets électroniques ou produire une quantité importante d’électricité dans de grandes centrales solaires.

En remplacement de piles

Les cellules photovoltaïques peuvent être utilisées de manière autonome en remplacement des piles électriques pour des appareils peu gourmands en électricité, à condition qu’ils reçoivent suffisamment de lumière (naturelle ou artificielle) au moment de leur utilisation.

Elles sont notamment très prisées pour apporter à peu de frais l’énergie électrique nécessaire au fonctionnement d’une calculatrice ou d’une montre par exemple. Pour ce type d’appareil, le recours à une petite cellule photovoltaïque est souvent bien moins coûteux qu’une pile bouton et offre une espérance de vie quasiment illimitée.

La technologie privilégiée est alors celle du silicium amorphe qui présente l’avantage de produire de l’électricité même avec une faible luminosité. Le dispositif peut éventuellement être complété d’un condensateur ou d’une petite batterie pour prolonger l’utilisation dans l’obscurité.

Pour produire de l’électricité à petite échelle

Montées en série sur des panneaux solaires installés à même le sol ou sur le toit d’une maison, les cellules photovoltaïques représentent la source d’énergie renouvelable la plus utilisée pour la production domestique d’électricité, loin devant les petites éoliennes verticales ou horizontales.

En France, elles sont largement subventionnées par les pouvoirs publics qui souhaitent encourager l’autoconsommation d’électricité. Elles bénéficient notamment d’une prime à l’installation et d’une TVA à taux réduit. Les cellules photovoltaïques sont reliées les unes aux autres pour former un module solaire, ou panneau photovoltaïque, lui-même relié à un onduleur qui stabilise la tension et transforme le courant continu en courant alternatif nécessaire à une utilisation domestique.

L’électricité produite peut ensuite alimenter l’installation intérieure d’une maison ou être directement réinjectée sur le réseau de distribution via un contrat EDF Obligation d’Achat (EDF OA). Elle peut également être stockée dans des batteries, le plus souvent au lithium-ion, pour être utilisée plus tard.

Les technologies privilégiées pour de petites installations de production d’électricité sont celles du silicium polycristallin ou du silicium monocristallin qui sont suffisamment stables et résistantes pour permettre à terme de rentabiliser le dispositif malgré un investissement initial conséquent.

Pour de grandes centrales de production photovoltaïque

Longtemps demeurée dans l’ombre de l’énergie éolienne ou de l’énergie hydraulique à cause d’un coût trop élevé et d’une technologie balbutiante, l’énergie photovoltaïque a été remise au goût du jour par les impératifs de la transition énergétique dans l’optique de produire de l’électricité en quantité importante dans de grandes centrales solaires, même dans des zones peu ensoleillées.

Depuis le début du siècle, de vastes installations ont fleuri un peu partout sur la planète pour atteindre en 2019 près de 627 GW de puissance installée, un chiffre très légèrement inférieur à celui du parc éolien mondial (651 GW). À ce rythme, le prix des panneaux photovoltaïques ne cessant de chuter, le solaire devrait bientôt occuper le premier rang des sources d’électricité renouvelable.

Contrairement aux barrages hydrauliques ou aux éoliennes qu’on ne peut installer qu’à certains endroits (sur des cours d’eau pour les premiers et dans des zones exposées aux vents dominants pour les secondes) les centrales solaires peuvent l’être à peu près partout, même sous des latitudes septentrionales. Ainsi, en Allemagne, leader européen de l’éolien avec un climat plus venteux qu’ensoleillé, le solaire représentait tout de même 10 % de la production d’électricité nationale au premier semestre 2020 (contre 29 % pour l’éolien).

Les technologies privilégiées pour les centrales solaires sont celles du silicium cristallin. Les cellules en silicium sont parfois complétées par des cellules en tellurure de cadmium, certes moins productives mais aussi moins chères, permettant de réduire l’investissement initial. D’autres technologies, comme le photovoltaïque tandem ou multi-jonctions, sont à l’étude pour améliorer la rentabilité de ces centrales solaires qui ne tournent à plein régime que pendant quelques heures par jour et posent d’importants problèmes de gestion des flux d’électricité.

L’intermittence de l’énergie solaire demeure également un frein au développement des centrales photovoltaïques, même si des innovations récentes, comme le volant de stockage solaire VOSS, pourraient permettre de résoudre ce problème en lissant la production d’électricité sur 24 heures.

Pour des projets expérimentaux

Déjà utilisées dès la fin des années cinquante pour alimenter en électricité les premiers engins spatiaux, les cellules photovoltaïques ont toujours permis le développement de technologies de pointe comme récemment la Smartflower d’EDF ou les dalles photovoltaïques de la « route solaire », un projet soutenu par les pouvoirs publics français et inauguré fin 2016 à Tourouvre en Normandie.

Quand la recherche scientifique aura résolu les problèmes liés au rendement, au coût de fabrication, à l’intermittence et à la fragilité des cellules photovoltaïques, elle pourra offrir à ces dernières des débouchés toujours plus nombreux, en ayant recours, notamment, à des matériaux plus accessibles, moins toxiques, et à des procédés de fabrication économiquement rentables, comme l’impression 3D.

La question des coûts environnementaux et du recyclage des cellules solaires usagées demeure néanmoins une donnée incontournable pour faire du photovoltaïque une véritable source d’énergie renouvelable capable d’accélérer la transition énergétique sans effets collatéraux.