La science du solaire : décomposer la construction de cellule solaire

L’énergie solaire s’impose comme un phare de durabilité et d’innovation dans le paysage en constante évolution des énergies renouvelables. Au cœur de cette technologie se trouve la cellule solaire, une merveille d’ingénierie qui convertit la lumière du soleil en électricité. Mais qu’est-ce qu’une cellule solaire exactement et comment sa construction permet-elle cette transformation ?

Ce guide vise à démystifier les complexités de la construction des cellules solaires, en offrant une explication claire et simplifiée de son fonctionnement. Depuis les bases de la fabrication des cellules solaires jusqu'à leur rôle central dans les systèmes photovoltaïques et le paysage énergétique plus large, nous explorerons les nuances de la technologie des cellules solaires. Allons-y !

Définition des cellules solaires

Une cellule solaire, souvent appelée cellule photovoltaïque (PV), est un dispositif qui convertit l'énergie du soleil directement en électricité par effet photovoltaïque. Fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs, les cellules solaires sont les éléments fondamentaux des panneaux solaires, qui sont les modules que nous voyons installés dans un kit solaire, sur les toits, dans des fermes solaires et dans divers gadgets tels que des calculatrices et des lampadaires.

L’explication simple de la construction d'une cellule solaire

Comprendre la construction et la fonction des cellules solaires est essentiel pour comprendre comment elles convertissent la lumière du soleil en électricité. Décomposons cette construction en parties faciles à digérer :

Absorbe la lumière du soleil

Lorsque la lumière du soleil frappe la cellule solaire, ses photons (particules de lumière) sont absorbés par le matériau semi-conducteur de la cellule, généralement le silicium. L'énergie absorbée par les photons excite les électrons, les élevant de leur état stable et « fondamental » à un niveau d'énergie plus élevé. Les électrons, qui sont chargés négativement, sont soulevés dans la bande de conduction, laissant derrière eux des « trous » chargés positivement dans la bande de valence.

Rediriger les particules en déplacement

Pour utiliser efficacement les particules d’électrons et de trous en déplacement, la construction des cellules solaires est conçue pour manipuler leurs mouvements. Le semi-conducteur est dopé pour former deux couches : la couche de type n (négative), qui contient des électrons supplémentaires, et la couche de type p (positive), avec une abondance de trous. La jonction entre ces deux couches crée un champ électrique. Lorsque des électrons et des trous sont créés à proximité de cette jonction, le champ électrique dirige les électrons libres vers la couche de type n et les trous vers la couche de type p.

Générer une tension actuelle en empêchant la recombinaison

La redirection et la séparation sont essentielles pour empêcher la recombinaison immédiate des électrons et des trous, créant ainsi un déséquilibre de charge dans la cellule. Ce déséquilibre génère un potentiel de tension similaire à une batterie. Lorsque la cellule solaire est connectée dans un circuit, cette différence de potentiel entraîne le flux d’électrons à travers une charge externe, créant ainsi un courant électrique.

Modifications de l'efficacité grâce au processus de fabrication

L'efficacité d'une cellule solaire, ou sa capacité à convertir la lumière du soleil en électricité, est fortement influencée par sa construction et les processus de fabrication impliqués. Les progrès technologiques ont permis le développement de diverses couches et revêtements qui améliorent l’absorption de la lumière et réduisent les pertes d’énergie dues à la réflexion ou à la recombinaison électron-trou. Par exemple, des revêtements antireflet sont appliqués sur la surface de la cellule pour réduire la quantité de lumière réfléchie, garantissant ainsi que davantage de photons sont absorbés et convertis en électricité.

Comment sont fabriquées les cellules solaires

Différents types de cellules solaires sont fabriqués à l’aide de divers matériaux et procédés, chacun ayant des caractéristiques et des applications uniques. Ici, nous allons explorer comment sont fabriqués les types de cellules solaires les plus courants :

Cellules solaires en silicium cristallin

Les cellules solaires en silicium cristallin, y compris le silicium monocristallin et polycristallin, sont les plus répandues sur le marché.

• Les cellules solaires en silicium monocristallinsont fabriquées à partir de silicium monocristallin. Au cours du processus, un seul germe de cristal de silicium est placé dans une cuve de silicium fondu. Il s'étire lentement en tournant, formant un lingot monocristallin cylindrique. Ce lingot est ensuite découpé en fines tranches, dopées, recouvertes d'un revêtement antireflet et équipées de contacts électriques.

Ces cellules se distinguent par leur aspect noir élégant. Leur durabilité et leur haute efficacité en font une option privilégiée pour les installations solaires résidentielles et commerciales. Par exemple, les cellules solaires monocristallines utilisées dans le Anker SOLIX kit solaire Plug&Play (820 W) avec supports pour balcon présentent un taux d'efficacité remarquable de 25 %. Cela garantit une conversion optimale de l’énergie solaire, même dans l’espace restreint d’un balcon.

• Les cellules solaires en silicium polycristallindémarrent avec des « germes » de cristaux de silicium placés dans une cuve de silicium fondu. Cependant, ces graines peuvent refroidir plus naturellement, formant un bloc de silicium avec de nombreux cristaux. Ce bloc est ensuite découpé en tranches et traité de la même manière que les cellules monocristallines, bien que l'efficacité soit légèrement inférieure en raison des limites de grains entre les cristaux.

Cellules solaires à couches minces

Les cellules solaires à couches minces sont fabriquées en déposant une ou plusieurs fines couches de matériau photovoltaïque sur un substrat. Cette catégorie comprend :

• Les cellules solaires au tellurure de cadmium(CdTe)consistent à déposer une fine couche de CdTe entre des couches conductrices transparentes sur un substrat de verre. Ce processus peut être hautement automatisé, ce qui fait des cellules CdTe une option rentable.

• Les cellules solaires en cuivre, indium et gallium séléniure (CIGS) sont produites en déposant une fine couche de CIGS sur un support en verre ou en plastique, avec des électrodes à l'avant et à l'arrière pour collecter le courant. La couche CIGS est appliquée par co-évaporation ou pulvérisation sous vide.

Comment fonctionnent les cellules solaires dans les systèmes photovoltaïques

Les cellules solaires constituent les éléments fondamentaux des systèmes photovoltaïques, transformant collectivement la lumière du soleil en une forme d'électricité facilement utilisable dans nos maisons. Illustrons comment ils fonctionnent dans l'exploitation d'un kit solaire avec batterie :

1. Capter l’énergie solaire: Une centrale électrique de balcon comprend un ou plusieurs panneaux solaires compacts adaptés à l’installation sur un balcon. Chaque panneau est un assemblage de cellules solaires interconnectées, travaillant toutes ensemble pour absorber la lumière du soleil et la convertir en électricité à courant continu (CC).

2. Conversion en électricité utilisable: L'électricité CC générée par les cellules solaires est ensuite dirigée vers un onduleur. L'onduleur joue un rôle crucial dans le système en transformant l'électricité CC en électricité à courant alternatif (AC), qui est la forme d'énergie standard pour la plupart des appareils ménagers et le réseau électrique au sens large.

3. Stockage d'énergie pour un approvisionnement constant : L'une des caractéristiques remarquables d'un système photovoltaïque moderne est sa capacité à stocker le surplus d'énergie produit pendant les heures de pointe d'ensoleillement. Cet excédent d'énergie est économisé dans les systèmes de batteries pour une utilisation future lorsque la lumière du soleil est rare, par exemple pendant la nuit ou par temps couvert.

Les solutions de stockage avancées, comme la batterie de 1 600 Wh incluse dans le Anker SOLIX Solarbank kit solaire avec batterie et supports pour balcon (820 W | 1 600 Wh), offrent une capacité suffisante pour stocker une quantité importante d'énergie. Cela garantit un approvisionnement énergétique stable et fiable, comblant le fossé entre les intervalles ensoleillés et les périodes de faible ensoleillement, et améliorant l'utilité globale du système.

L’importance des cellules solaires

Les cellules solaires sont au cœur de la transition vers une énergie durable, offrant une source d’énergie propre et renouvelable qui atténue le changement climatique et réduit la dépendance aux combustibles fossiles. Leur impact économique est important, favorisant la création d’emplois et réduisant les coûts de l’énergie, tandis que leur capacité à assurer l’indépendance énergétique renforce la sécurité nationale et responsabilise les communautés éloignées.

Polyvalentes et évolutives, les cellules solaires peuvent être adaptées à diverses applications, des gadgets à petite échelle aux grandes fermes solaires. En tant que pierre angulaire de l'innovation durable, ils améliorent non seulement la santé environnementale, mais ouvrent également la voie à un avenir où l'énergie sera abondante, accessible et alignée sur le bien-être de la planète.

Conclusion

De la compréhension de la définition de base des cellules solaires à la compréhension des complexités de la construction et fonctionnement de la cellule solaire, nous avons découvert les subtilités de la façon dont ces dispositifs remarquables captent et convertissent la lumière du soleil en énergie utilisable. L’importance des cellules solaires transcende leurs aspects scientifiques et techniques, incarnant nos espoirs d’un avenir plus propre et plus durable. À mesure que la technologie progresse et que les processus de fabrication s’améliorent, l’efficacité et l’accessibilité de l’énergie solaire ne feront que s’améliorer, nous rapprochant d’un monde où les énergies renouvelables sont la norme.

FAQ

Quelle est l’efficacité des cellules solaires modernes ?

Les cellules solaires modernes ne cessent de s’améliorer. Leur efficacité peut varier en fonction du type. La plupart des cellules solaires résidentielles convertissent environ 15 à 20 % de la lumière solaire en électricité. Mais certains modèles haut de gamme peuvent monter jusqu'à 25 %. Les chercheurs sont toujours à la recherche de moyens de rendre les cellules solaires plus efficaces. Cela signifie que les futures cellules solaires pourraient convertir encore plus de lumière solaire en énergie.

Combien coûtent les cellules solaires ?

Le coût des cellules solaires en Allemagne peut varier considérablement en fonction du type, de la qualité et de la capacité du système solaire, et bien plus encore. Généralement, le prix d'un système photovoltaïque complet de 4 à 10 kilowatts de puissance crête (kWc) sans stockage, varie d'environ 6 800 € à 25 500 €.

À quoi faut-il faire attention lors du choix des cellules solaires ?

Lorsque vous choisissez des cellules solaires, examinez leur efficacité. Cela vous indique dans quelle mesure ils convertissent la lumière du soleil en électricité. Vérifiez également la garantie. Une garantie plus longue signifie que le fabricant a plus confiance dans son produit. Considérez la taille des panneaux solaires. Assurez-vous qu’ils s’adapteront à votre toit. Enfin, pensez à la marque. Choisissez une entreprise avec une bonne réputation en matière de qualité et de service.