Types de Cellules Solaires : Fonctionnement, Conception et Applications

Cellule Solaire et Types

Qu'est-ce qu'une Cellule Solaire ?

Dans la conversion photovoltaïque (PV), le rayonnement solaire tombe sur des dispositifs semi-conducteurs appelés cellules solaires qui convertissent directement la lumière du soleil en électricité.

Un schéma d'une cellule photovoltaïque (cellule PV) ou cellule solaire est donné dans la figure.

Elle repose sur l'effet que la lumière a sur la jonction entre deux types de semi-conducteurs appelés type p et type n. Le type n a un excès d'électrons et le type p a un manque d'électrons.

Lorsque une lumière vive brille sur une cellule, l'énergie de la lumière, c'est-à-dire les photons, permet aux électrons de se libérer de la jonction entre eux.

C'est ce qu'on appelle l'effet photoélectrique. Pour le silicium monocristallin (4 électrons de valence), le type 'p' est obtenu en dopant le silicium avec du bore (3 électrons de valence) et est généralement épais de 1 µm ; le type 'n' est obtenu en dopant avec de l'arsenic ou du phosphore (5 électrons de valence) et est généralement épais de 800 µm.

Types de Cellules Solaires

Voici les différents types de cellules solaires utilisés dans les panneaux solaires :

1. Cellules solaires en silicium amorphe (a-Si)
2. Cellule solaire biohybride
3. Cellule solaire à contact enterré
4. Cellule solaire au tellurure de cadmium (CdTe)
5. Cellule PV concentrée (CPV et HCPV)
6. Cellules solaires au séléniure de cuivre, indium, gallium (CIGS)
7. Cellule solaire en silicium cristallin (c-Si)
8. Cellule solaire à colorant sensibilisé
9. Cellule solaire hybride
10. Cellule solaire multi-jonction
11. Cellule solaire monocristalline
12. Cellule solaire à nanocristaux
13. Cellule photoélectrochimique
14. Cellule solaire à état solide
15. Cellule solaire à couche mince
16. Cellules solaires sur wafer

#1 Cellules Solaires en Silicium Amorphe (a-Si)

Ce sont des versions modifiées des cellules solaires à couche mince. Ce type utilise trois couches de silicium amorphe de manière que chacune ait une énergie de bande interdite différente. Les différents gaps permettent à chaque couche de répondre à une partie différente du spectre énergétique du soleil comme moyen d'augmenter l'efficacité de conversion.

Les cellules amorphes offrent une efficacité supérieure aux autres types et sont facilement disponibles. Mais elles nécessitent le double de surface pour produire la même puissance qu'une cellule solaire monocristalline.

#2 Cellule Solaire Biohybride

Les cellules solaires biohybrides sont composées de matière organique (contenant du carbone) qui est un photosystème et de matière inorganique (sans carbone). Plusieurs couches du photosystème collectent l'énergie photonique, la convertissent en énergie chimique et créent un courant qui traverse la cellule.

L'avantage principal d'une cellule solaire biohybride est qu'elle convertit l'énergie solaire en électricité avec une efficacité de 100%. Cela signifie que peu ou pas de puissance n'est perdue lors du passage de l'énergie chimique à l'énergie électrique.

#3 Cellule Solaire à Contact Enterré

La cellule solaire à contact enterré est une technologie de cellule solaire à haut rendement. Ces types fonctionnent sur la base d'un contact métallique plaqué à l'intérieur d'une rainure formée au laser.

Elles peuvent donner une meilleure performance d'environ 25% par rapport aux cellules solaires à impression sérigraphique commerciales. Les gains d'efficacité de la technologie à contact enterré offrent des avantages substantiels en coûts et performances.

#4 Cellule Solaire au Tellurure de Cadmium (CdTe)

Ce type de cellule solaire utilise du tellurure de cadmium dans une couche semi-conductrice mince conçue pour absorber et convertir la lumière du soleil en électricité. Ces couches agissent comme couche de photoconversion primaire et absorbent la plupart de la lumière visible dans le premier micron du matériau.

Dans laquelle la couche TCO crée un champ électrique qui convertit la lumière absorbée dans la couche CdTe en courant et tension. Ces systèmes sont bien plus efficaces que le silicium cristallin comparable.

#5 Cellule PV Concentrée (CPV et HCPV)

Les cellules PV concentrées génèrent de l'énergie électrique de la même manière que les systèmes photovoltaïques conventionnels. La CPV utilise généralement des miroirs courbes pour concentrer la lumière du soleil sur de petites cellules solaires multi-jonctions à haut rendement. Elles peuvent fournir un rendement plus élevé d'environ 40% et sont également moins chères.

#6 Cellules Solaires CIGS

Une cellule solaire au séléniure de cuivre, indium, gallium est utilisée pour convertir l'énergie de la lumière du soleil en énergie électrique. Elle est généralement fabriquée en déposant une fine couche de cuivre, indium, gallium et sélénium sur un support en verre ou plastique, avec des électrodes avant et arrière pour stocker le courant.

Puisque le matériau a un coefficient d'absorption élevé et absorbe fortement la lumière du soleil, un film beaucoup plus mince est requis. Ces matériaux peuvent absorber une portion significative du spectre solaire, leur permettant d'atteindre le rendement le plus élevé.

#7 Cellule Solaire en Silicium Cristallin (c-Si)

Le silicium cristallin est le principal matériau semi-conducteur utilisé dans la technologie photovoltaïque pour produire des cellules solaires. Ces cellules sont composées de particules de silicium liées ensemble pour former un réseau cristallin.

Ce réseau cristallin fournit un système organisé qui rend la conversion de la lumière en électricité plus efficace. Comme il a un haut rendement, il réduit le coût de l'installation finale.

#8 Cellule Solaire à Colorant Sensibilisé

C'est une cellule solaire à couche mince à faible coût basée sur un semi-conducteur formé entre une anode photosensible et un électrolyte, un système photoélectrochimique. Ces dispositifs sont utilisés pour convertir l'énergie lumineuse en énergie électrique par l'utilisation de colorants organiques et de semi-conducteurs.

Par rapport aux autres types de cellules solaires, elles fonctionnent mieux sous des conditions de haute température et de lumière diffuse. De plus, elles sont rentables, faciles à fabriquer et simples à manipuler.

#9 Cellule Solaire Hybride

Ces types de cellules solaires consistent en deux matériaux, semi-conducteurs organiques et inorganiques. Le matériau organique consiste en polymères conjugués qui absorbent la lumière comme donneurs et transportent les trous.

D'autre part, les matériaux inorganiques sont utilisés comme accepteurs et transporteurs d'électrons dans la structure. L'avantage des systèmes solaires hybrides est qu'ils stockent l'énergie solaire et l'électricité à faible coût. L'utilisation de l'énergie solaire a été rendue possible pendant les périodes de pointe d'utilisation.

#10 Cellule Solaire Multi-jonction

Ce sont des cellules solaires avec plusieurs jonctions p-n faites de divers matériaux semi-conducteurs. Dans ceci, la jonction p-n de chaque matériau générera un courant électrique en réponse à différentes longueurs d'onde de lumière.

Elles sont capables d'absorber différentes longueurs d'onde de la lumière solaire entrante en utilisant des couches séparées. Cela les rend plus efficaces pour convertir la lumière du soleil en électricité que les cellules à jonction unique.

#11 Cellule Solaire Monocristalline

Ce type de cellule solaire est composé d'une barre de silicium cylindrique faite à partir d'un cristal unique de silicium de haute pureté similaire à celui d'un semi-conducteur. Elle fonctionne comme une cellule solaire polycristalline.

Lorsque la lumière du soleil tombe sur des cellules solaires monocristallines, elles absorbent l'énergie et, par un processus complexe, créent un champ électrique. Ce champ électrique inclut la tension et le courant qui génèrent l'électricité. Les cellules solaires monocristallines ont un rendement relativement élevé.

#12 Cellule Solaire à Nanocristaux

Les cellules solaires à nanocristaux sont faites d'un matériau revêtu de nanocristaux. Les nanocristaux sont de silicium, CdTe, ou CIGS et les substrats sont généralement du silicium ou divers semi-conducteurs organiques.

Ces nanocristaux sont formés par un procédé de revêtement par centrifugation qui implique de placer un volume de solution de points quantiques sur une surface plane. La solution est étalée uniformément, et la surface est tournée jusqu'à ce que l'épaisseur requise soit atteinte.

#13 Cellule Photoélectrochimique

Ces cellules solaires absorbent une source de lumière solaire sur un semi-conducteur ou un photosensibilisateur pour produire de l'énergie électrique, similaire à une cellule solaire à colorant sensibilisé.

Dans ceci, chaque cellule consiste en une ou deux photoélectrodes semi-conductrices et aussi une électrode de référence et de métal supplémentaire plongée dans un électrolyte. Elles sont faibles en coût et le procédé est assez facile ce qui est l'un de ses avantages.

#14 Cellule Solaire à État Solide

Les cellules solaires à état solide sont généralement utilisées pour l'équipement semi-conducteur similaire aux diodes semi-conductrices et circuits intégrés. Elles sont aussi utilisées dans l'électronique semi-conductrice sans pièces mobiles remplaçant les dispositifs avec pièces mobiles.

Elle consiste en deux cristaux, l'un dopé avec un semi-conducteur de type n qui amplifie les électrons de bande de conduction libres supplémentaires. Et l'autre est dopé avec un semi-conducteur de type p qui ajoute plus de trous d'électrons.

#15 Cellule Solaire à Couche Mince

Ces types sont conçus pour convertir l'énergie de la lumière du soleil en énergie électrique en utilisant un effet photovoltaïque. Les cellules solaires à couche mince sont faites en déposant une ou plusieurs couches minces sur un substrat flexible, comme du verre, du plastique ou du métal.

De nos jours, divers types de cellules solaires à couche mince sont utilisés en raison de leur coût relativement bas et de leur efficacité dans la génération d'énergie. Aussi, elles sont utilisées dans plusieurs technologies incluant le tellurure de cadmium, le séléniure de cuivre, indium, gallium, et le silicium amorphe à couche mince.

#16 Cellules Solaires sur Wafer

Comme son nom l'indique, les cellules à base de wafer sont faites de tranches de silicium monocristallin ou multicristallin. Elles peuvent atteindre le rendement le plus élevé de toute technologie photovoltaïque. Dans cette cellule solaire, toutes les couches fonctionnelles sont déposées sur le substrat et transcrites pour séparer les sous-cellules électriquement connectées.

Fonctionnement de la Cellule Solaire

Les photons du soleil frappent la cellule sur le côté p ultra-mince et pénètrent jusqu'à la jonction pour générer des paires électron-trou. Lorsque la cellule est connectée à une charge, comme montré, les électrons diffuseront depuis le sommet n. La direction du courant (I) est dans la direction opposée aux électrons.

Typiquement, les caractéristiques tension-courant sont montrées dans la figure à deux niveaux différents de rayonnement solaire, pour chacun desquels Voc = tension à circuit ouvert, Isc = courant de court-circuit. La puissance idéale de la cellule est Vo.Isc. La puissance utile maximale est l'aire du plus grand rectangle qui peut être formé sous la courbe I-V.

Si la tension et le courant correspondant à cette situation sont notés Vm et Im, alors la puissance utile maximale est VmIm. Le rapport de la puissance utile maximale à la puissance idéale est appelé le facteur de remplissage (k). Les valeurs typiques de ces facteurs pour une cellule en silicium sont :

Voc = 450 à 400 mV ; Isc = 30 à 50 mA/cm², K = 0,65 à 0,80.

Les cellules solaires sous forme de films minces ou de wafers convertissent de 3% à moins de 30% de l'énergie solaire incidente en électricité continue. La connexion de telles cellules en configurations série-parallèle permet la conception de panneaux solaires avec des tensions aussi élevées que plusieurs kilovolts.

Combinées avec des équipements de stockage d'énergie et de conditionnement de puissance, ces cellules peuvent être utilisées comme partie intégrante d'un système complet de conversion solaire-électrique.

Applications des Cellules Solaires

Il y a de nombreuses applications pratiques pour l'utilisation de panneaux solaires ou photovoltaïques. Elles sont d'abord utilisées en agriculture comme source d'énergie pour l'irrigation. Dans les soins de santé, les panneaux solaires peuvent être utilisés pour réfrigérer les fournitures médicales. Les modules PV sont utilisés dans les systèmes photovoltaïques et incluent une grande variété de dispositifs électriques :

Voici la liste des applications des cellules solaires :

1. Centrales photovoltaïques
2. Systèmes PV sur toiture
3. Systèmes PV autonomes
4. Systèmes hybrides solaires
5. Photovoltaïque concentré
6. Panneaux solaires
7. Lasers à pompage solaire
8. Véhicules solaires
9. Utilisés dans les panneaux solaires sur vaisseaux spatiaux et stations spatiales

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