Une cellule photovoltaïque, ou cellule solaire, est un composant électronique qui, exposé à la lumière, produit de l’électricité grâce à l’effet photovoltaïque. La puissance électrique obtenue est proportionnelle à la puissance lumineuse incidenteLa tension de la cellule est quasi constante, quoique légèrement décroissante, lorsque le courant la traverse. La puissance électrique répond à la loi . et elle dépend du rendement de la cellule. Celle-ci délivre une tension continue et un courant la traverse dès qu'elle est connectée à une charge électrique (en général un onduleur, parfois une simple batterie électrique).
Les cellules photovoltaïques les plus répandues sont constituées de semi-conducteurs, principalement à base de silicium et plus rarement d’autres semi-conducteurs : séléniure de cuivre-indium (CuIn(Se)2, ou CIS), séléniure de cuivre, d'indium et de gallium (CuInGa(Se)2, aussi appelé CIGS), tellurure de cadmium (CdTe) Elles se présentent généralement sous forme de fines plaques d’une dizaine de centimètres de côté.
Les cellules sont souvent réunies dans des modules photovoltaïques ou panneaux solaires photovoltaïques, en fonction de la puissance recherchée.
thumb|upright|Cellule photovoltaïque en silicium monocristalin. thumb|upright|Cellule photovoltaïque de quatre pouces en silicium polycristallin.
Histoire vignette|upright|Production de cellules photovoltaïques de 1995 à 2013, par pays.
Le principe de l'effet photoélectrique (transformation directe d'énergie portée par la lumière en électricité) est appliqué dès 1839 par Antoine Becquerel. et son fils Edmond Becquerel qui note qu'une chaîne d'éléments conducteurs d'électricité donne naissance à une tension électrique quand elle est éclairée.
La fabrication de la première cellule solaire en matériaux semi-conducteurs est attribuée à Charles Fritts en 1883... Cette cellule atteignait un rendement de près de 1 %, et utilisait de l'or et du sélénium, des matériaux coûteux..
Le sélénium puis le silicium (qui a finalement supplanté le cadmium-tellure ou le cadmium-indium-sélénium également testés pour des raisons de coût) se sont montrés propice à la production des premières cellules photovoltaïques : posemètres pour la photographie dès 1914., puis générateurs. Hassan Kamel Al-Sabbah a alors eu pour projet, en 1928, de faire du Moyen-Orient un « Sahara vert », qui plus tard a inspiré le projet Desertec..
Les faibles rendements des cellules à cette époque ne permettent pas d'applications concrètes des cellules photovoltaïques. Cela change en 1954, où les travaux de Gerald Pearson, Darryl Chapin et Calvin Fuller pour les laboratoires Bell permettent enfin d'aboutir. à un rendement de 6 %.
C'est en 1958 que la première application réelle des cellules photovoltaïques est trouvée, avec l'alimentation des émetteurs radio du satellite Vanguard 1. Le rendement de ces panneaux solaires était alors de 9 %.
Les années 1960 voient le développement du photovoltaïque avec l'essor des satellites spatiaux, puis dans les années 1970 c'est l'alimentation en électricité des lieux reculés qui permet les premières applications au sol..
La recherche porte aujourd'hui sur de nombreux types de matériaux et de structures, ayant pour objectif l'un ou plusieurs de ces buts : augmenter l'efficacité de conversion énergétique ; diminuer du prix de l'énergie solaire ; améliorer la flexibilité d'application ou exploiter une niche de marché ; améliorer fiabilité et durée de vie.
Les techniques utilisées vont des polymères/matériaux organiques (éventuellement souples). aux matériaux dont les composants sont abondants dans la croûte terrestre, en passant par des technologies telles que les points quantiques et beaucoup d'autres encore.
Principe de fonctionnement
upright|vignette|Structure d'une cellule photovoltaïque.
Dans un semi-conducteur exposé à la lumière, un photon d'énergie suffisante (supérieure à la bande interdite, de l'ordre de dans le cas du silicium, soit une longueur d'onde inférieure à ) arrache un électron à la matrice et crée ainsi un « trou ». En l'absence de dispositif supplémentaire, l'électron trouve rapidement un trou pour se recombiner et l'énergie apportée par le photon est ainsi dissipée. Le principe d'une cellule photovoltaïque est de forcer les électrons et les trous à se diriger chacun vers une face opposée du matériau au lieu de se recombiner en son sein : il apparaîtra une différence de potentiel et donc une tension entre les deux faces, comme dans une pile. L'une des solutions pour atteindre cet objectif, couramment utilisée, est de générer un champ électrique au moyen d'une jonction p-n, c'est-à-dire entre deux couches dopées respectivement P et N..
Typiquement, la couche supérieure de la cellule est composée d'un semi-conducteur dopé NUne petite proportion des atomes du matériau considéré est remplacée par un élément de valence supérieure dans la classification périodique, c’est-à-dire qui possède plus d'électrons sur sa couche de valence. Par exemple, le silicium possède quatre électrons sur sa couche de valence : on peut donc utiliser des éléments de la colonne 15, par exemple le phosphore.. Dans cette couche, il existe une quantité d'électrons libres supérieure à celle du matériau intrinsèque (i.e. non dopé), d'où l'appellation de dopage N, comme négatif (charge de l'électron). Le matériau reste électriquement neutre : c'est le réseau cristallin qui supporte globalement une charge négative. La couche inférieure de la cellule est généralement composée d'un semi-conducteur dopé PPar un élément de valence inférieure au silicium. Il peut s'agir de bore (B) ou d'un autre élément de la colonne 13.. Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d'électrons libres inférieure à celle du matériau intrinsèque (i.e. non dopé), les électrons sont liés au réseau cristallin qui, en conséquence, est chargé positivement. La conduction électrique est assurée par des trous, positifs (P).
Au moment de la création de la jonction P-N, les électrons libres de la région N diffusent dans la couche P et se recombinent avec les trous de la région P. Il existera ainsi, pendant toute la vie de la jonction, une charge positive de la région N au bord de la jonction (parce que les électrons en sont partis) et une charge négative dans la région P au bord de la jonction (parce que les trous en ont disparu) ; l'ensemble forme la Zone de Charge d'Espace (ZCE) et il existe un champ électrique entre les deux, de N vers P. Ce champ électrique fait de la une diode, qui ne permet le passage du courant que dans un sens : les électrons peuvent passer de la région P vers la région N, mais pas en sens inverse ; inversement les trous ne passent que de N vers P.
En fonctionnement, un photon arrache un électron à la matrice, créant un électron libre et un trou. Ces porteurs de charge diffusent jusqu'à la zone de charge d'espace. Là, sous l'effet du champ électrique, ils partent chacun à l'opposé : les électrons s'accumulent dans la région N (qui devient le pôle négatif), tandis que les trous s'accumulent dans la couche dopée P (qui devient le pôle positif). Ce phénomène est plus efficace dans la , où les porteurs de charges (électrons ou trous) sont séparés immédiatement par le champ électrique. Le phénomène est aussi efficace à proximité immédiate de la : lorsqu'un photon y crée une paire électron-trou, ils se séparent et ont peu de chance de rencontrer leur opposé, alors que si la création a lieu plus loin de la jonction, le nouvel électron (respectivement le trou) conserve une grande chance de se recombiner avant d'atteindre la zone N (respectivement la zone P). La est très mince, il est ainsi souvent possible de fabriquer des cellules finesOn peut, en revanche, lui donner une forme ondulée, comme sur l'exemple : le volume actif est augmenté..
D'un point de vue électrique, une cellule photovoltaïque est l'équivalent d'un générateur de courant auquel on a adjoint une diode. Il faut ajouter des contacts électriques (qui laissent passer la lumière en face éclairée : en pratique, on utilise souvent un contact par une grille), une couche antireflet pour assurer une bonne transmission des photons vers l'absorbeur. Pour que la cellule fonctionne, et produise le maximum de courant, on ajuste le gap du semi-conducteur au niveau d'énergie des photons. On peut éventuellement empiler les jonctions, de façon à exploiter au mieux le spectre d'énergie des photons, ce qui donne les cellules multi-jonctions, aussi appelées « cellules tandem ».
Matériau : silicium
Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques. On l'obtient par réduction à partir de silice, composé le plus abondant dans la croûte terrestre et notamment dans le sable ou le quartz. La première étape du processus est la production de silicium dit métallurgique, pur à 98 % seulement, obtenu à partir de morceaux de quartz provenant de galets ou d'un gisement filonien (la technique de production industrielle ne permet pas de partir du sable). Le silicium de qualité photovoltaïque doit être purifié jusqu'à plus de 99,999 %, ce qui s'obtient en transformant le silicium en un composé chimique qui sera distillé puis retransformé en silicium.
Le silicium est produit sous forme de lingots de section ronde ou carrée. Ces lingots sont ensuite sciés en fines plaques, le cas échéant mises au carré, de près de d'épaisseur, appelées « ». Après un traitement visant à l'enrichir en éléments dopants (P, As, Sb ou B) et ainsi obtenir du silicium semi-conducteur de type P ou N, les sont « métallisés » : des rubans de métal sont incrustés en surface et reliés à des contacts électriques. Une fois métallisés, les deviennent des cellules photovoltaïques.
La production des cellules photovoltaïques nécessite de l'énergie, et on estime qu'un module photovoltaïque doit fonctionner environ deux à trois ans pour compenser l’énergie nécessaire à sa fabrication (durée qu'on appelle retour énergétique) Compared assessment of selected environmental indicators of photovoltaic electricity in OECD cities , IEA., sur eupvplatform.org., selon sa technique de fabrication, c'est-à-dire pour produire autant d'énergie qu'il en a été consommée pour sa fabrication. Les techniques de fabrication et les caractéristiques des principaux types de cellules à base de silicium sont décrits dans les trois paragraphes suivants.
Il existe d'autres types de cellules : les films photovoltaïques ou cellules solaires en couche mince, souples et prometteurs, mais leur utilisation est minoritaire après une baisse drastique des parts de marché dans les années 2000..
Les matériaux et procédés de fabrication font l'objet de programmes de recherche ambitieux pour réduire les coûts de fabrication et de recyclage des cellules photovoltaïques. De fait, en 2006 et 2007, la croissance de la production mondiale de panneaux solaires a été freinée par manque de silicium et les prix des cellules n'ont pas baissé autant qu'espéré. L'industrie cherche donc à faire baisser la quantité de silicium utilisé. Les cellules monocristallines sont passées de d'épaisseur à 200, puis en 2019, diminuant la quantité de matière et d'énergie nécessaires, mais aussi les prix. En 2019, des cellules de seulement d'épaisseur sont produites avec un rendement de 20 %, mais le coût des procédés mis en œuvre ne les rendent accessibles que pour les applications spatiales..
Silicium amorphe Les cellules photovoltaïques en silicium amorphe sont fabriquées par dépôt sous vide, à partir de plusieurs gaz. L'une des techniques les plus utilisées est le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD). La cellule est gris très foncé. C'est la cellule des calculatrices et des montres dites « solaires ».
Cette technique a comme avantages : de fonctionner avec un éclairement faible ou diffus (même par temps couvert, y compris sous éclairage artificiel de ) ;