Dès 1839, le physicien français Alexandre Edmond Becquerel fit la découverte sensationnelle: lorsque la lumière (photo) tombe sur certaines substances, une tension (voltaïque) survient. Mais comment ça marche avec le photovoltaïque? Nous expliquons comment ils fonctionnent.
Après sa découverte, il a fallu 120 ans pour que le photovoltaïque serve de source d'énergie aux premiers satellites et engins spatiaux. Entre-temps, la cellule solaire est devenue un fournisseur d'électricité populaire pour les économiseurs d'énergie
Voici en quoi consiste la cellule solaire
Seuls certains matériaux peuvent convertir la lumière en électricité, l'un est le silicium. Plus de 90% de toutes les cellules solaires sont fabriquées à partir de silicium. Son avantage: La matière première sable de quartz est disponible en quantité suffisante sur terre et le silicium est respectueux de l'environnement.
La lumière libère les électrons de la couche limite (verte), qui refluent vers l'extérieur via l'ampoule.
Une cellule solaire cristalline se compose généralement de deux couches de silicium - ensemble de deux à trois dixièmes de millimètre d'épaisseur.
Du côté ensoleillé, le silicium est délibérément entrecoupé d'atomes de phosphore. Pour faire simple, les atomes de phosphore ont un électron négatif de trop (c'est-à-dire négatif). Les atomes de bore se trouvent de l'autre côté de la cellule - ils ont un électron en trop petit nombre (c'est-à-dire positif). Les couches négatives et positives se touchent.
L'électricité circule de la cellule solaire via des régulateurs de charge et des onduleurs vers la batterie ou le réseau électrique.
Avec la lumière au flux d'électricité
Lorsque la lumière atteint la cellule, les électrons se mettent en mouvement. Une fois qu'ils ont commencé, ils sautent par-dessus la frontière de la couche négative à la couche positive, où il y a un manque d'électrons - d'autres remontent. Les électrons migrent vers leur ancienne couche sur la face inférieure de la cellule via une grille métallique (doigt de contact), un câble et une plaque support (contact). Lorsque le circuit est fermé, le courant électrique circule. Plus les rayons lumineux frappent les électrons, plus l'électricité est produite. Si l'irradiation reste la même, le gain de puissance dépend uniquement de la surface. Plus la surface est grande, plus l'ampérage est élevé. Si le soleil brille plus fort, la cellule solaire produit plus d'électricité. Il s'agit d'un courant continu car il est également stocké dans des batteries. Cependant, les cellules solaires ne peuvent pas stocker d'électricitéils le livrent.
Le module solaire
Les cellules solaires ne peuvent pas fonctionner à l'extérieur sans protection. Ils doivent être sous une couverture: le module.
Plusieurs cellules solaires sont connectées ensemble pour former une unité dans le module. Les cellules cristallines sont enchaînées et connectées les unes aux autres. Les brins sont emballés dans un film plastique et placés entre deux plaques de verre. La technologie à couche mince produit une grande cellule lorsque la plaque de verre est vaporisée. Un laser les découpe en bandes interconnectées.
Un bloc d'alimentation, également appelé onduleur, convertit le courant continu généré par les modules en courant alternatif (230 volts de tension alternative). L'électricité produite est entièrement injectée dans le réseau public. Celui-ci est rémunéré conformément à la «Loi sur les sources d'énergie renouvelables» (EEG).
Deux types: cellules solaires cristallines et amorphes
Il existe deux types de cellules solaires: cristallines et amorphes. Les cellules cristallines représentent environ 80% de la production mondiale.
Cellules solaires monocristallines: Le matériau de départ est du silicium ultra-pur coûteux, qui est extrait d'une fusion de silicium dans un processus long et coûteux, pressé en barres et coupé en tranches jusqu'à 12 centimètres de diamètre. Dans le monocristal, tous les atomes sont alignés de la même manière. Le bleu au noir, sur demande également des cellules de couleurs différentes, exploitent les rayons du soleil en laboratoire jusqu'à 24 pour cent; dans la pratique, cependant, jusqu'à 16 pour cent seulement.
Cellules solaires multicristallines: Le polysilicium produit industriellement est moins cher que la production de monocristaux. En pratique, l'efficacité des cellules bleuâtres est de 11 à 14%.
Les cellules cristallines perdent à peine leur efficacité même sur des décennies.
Cellules solaires amorphes
Les cellules amorphes moins chères conviennent aux pièces d'eau du jardin ou aux balances ménagères de la maison, ainsi qu'aux grandes façades. Si l'espace pour un grand système photovoltaïque est limité, les cellules cristallines fonctionnent plus efficacement.
Voici comment les cellules amorphes sont construites: La couche génératrice d'électricité est vaporisée sur une plaque de verre. Les atomes ne sont plus stockés dans une structure cristalline, mais de manière désordonnée (amorphe). Ce procédé nécessite relativement peu de silicium: cela fait baisser le prix. Par rapport aux cellules cristallines de 0,2 à 0,3 millimètre d'épaisseur, les cellules à couche mince ne mesurent que 0,01 à 0,05 millimètre. Les cellules sont brunes ou anthracites et ont une efficacité de six à sept pour cent. Les jours sombres, les cellules amorphes fournissent plus d'électricité que les autres.
L'efficacité des cellules amorphes diminue avec les années: après 20 ans, elle représente environ 70% de la production initiale.
Les modules solaires modernes peuvent également être installés discrètement sur le toit du patio ou le carport.
nouvelles technologies
Deux nouvelles cellules à couche mince fonctionnent sans silicium: un matériau à base de diséléniure de cuivre et d'indium (CID) et de tellurure de cadmium (CdTe). Les nouvelles cellules sont actuellement utilisées dans des usines pilotes. La technologie du futur est un nouveau procédé à couche mince dans lequel une couche de silicium cristallin est appliquée sur un matériau porteur. Cela combine le rendement élevé des cellules cristallines avec la faible consommation de matériau des cellules à couche mince.
Y a-t-il des limites aux performances?
Comme expliqué ci-dessus, les modules monocristallins atteignent les plus hauts niveaux d'efficacité, suivis des modules solaires polycristallins. Cependant, les avantages des modules monocristallins sont compensés par la forte dépense d'énergie et les coûts de croissance des cristaux de silicium. Un développement plus récent pourrait avoir un grand potentiel ici: les modules quasi monocristallins. Ce sont des modules polycristallins qui, grâce à un système de contrôle spécial, ont des propriétés similaires aux modules monocristallins lors de la croissance cristalline.
L'efficacité d'une substance ne peut pas être développée davantage à volonté et a des limites naturelles - parce que le matériau ne peut traiter que certaines longueurs d'onde de la lumière. Avec les modules en silicium monocristallin, le degré d'efficacité le plus élevé possible est d'environ 29 à 33% - en théorie.
Cela a-t-il atteint la fin du mât? Non, car les nouvelles technologies créent également de nouvelles opportunités. Les cellules solaires dites tandem, par exemple, peuvent augmenter l'efficacité en utilisant un principe simple: si vous empilez différents matériaux pour différentes parties du spectre lumineux les unes sur les autres, l'efficacité est également augmentée. Plus de 40 pour cent ont déjà été atteints, et plus de 80 pour cent sont envisageables pour l'avenir.
L'efficacité naturelle est également affinée davantage. Des scientifiques japonais ont annoncé un nouveau record d'efficacité pour les cellules solaires en silicium de 26,3% au début de 2017. Ce n'est pas loin de la limite spécifique au matériau. Cependant, ce qui suit s'applique ici: un degré d'efficacité plus élevé ne rend l'énergie solaire moins chère que si les coûts de production n'augmentent pas dans la même mesure.