Une cellule photovoltaïque (PV), communément appelée cellule solaire, est un dispositif non mécanique qui convertit directement la lumière du soleil en électricité. Certaines cellules photovoltaïques peuvent convertir la lumière artificielle en électricité.
Les photons transportent l’énergie solaire
La lumière du soleil est composée de photons, ou particules d’énergie solaire. Ces photons contiennent des quantités variables d’énergie qui correspondent aux différentes longueurs d’onde du spectre solaire.
Une cellule photovoltaïque est constituée d’un matériau semi-conducteur. Lorsque les photons frappent une cellule photovoltaïque, ils peuvent être réfléchis par la cellule, traverser la cellule ou être absorbés par le matériau semi-conducteur. Seuls les photons absorbés fournissent l’énergie nécessaire à la production d’électricité. Lorsque le matériau semi-conducteur absorbe suffisamment de lumière solaire (énergie solaire), les électrons sont délogés des atomes du matériau. Un traitement spécial de la surface du matériau pendant la fabrication rend la surface avant de la cellule plus réceptive aux électrons délogés, ou libres, de sorte que les électrons migrent naturellement vers la surface de la cellule.
Le flux d’électricité
Le mouvement des électrons, chacun portant une charge négative, vers la surface avant de la cellule crée un déséquilibre de la charge électrique entre les surfaces avant et arrière de la cellule. Ce déséquilibre, à son tour, crée un potentiel de tension comme les bornes négatives et positives d’une batterie. Les conducteurs électriques de la cellule absorbent les électrons. Lorsque les conducteurs sont connectés dans un circuit électrique à une charge externe, telle qu’une batterie, l’électricité circule dans le circuit.
L’efficacité des systèmes photovoltaïques varie selon le type de technologie photovoltaïque
L’efficacité avec laquelle les cellules photovoltaïques convertissent la lumière du soleil en électricité varie selon le type de matériau semi-conducteur et la technologie des cellules photovoltaïques. Le rendement des modules PV disponibles dans le commerce était en moyenne inférieur à 10 % au milieu des années 80, il est passé à environ 15 % en 2015, et il approche aujourd’hui les 20 % pour les modules de pointe. Les cellules photovoltaïques expérimentales et les cellules photovoltaïques destinées à des marchés de niche, tels que les satellites spatiaux, ont atteint un rendement de près de 50 %.
Comment fonctionnent les systèmes photovoltaïques
La cellule photovoltaïque est l’élément de base d’un système photovoltaïque. La taille des cellules individuelles peut varier d’environ 0,5 à 4 pouces de diamètre. Cependant, une cellule ne produit que 1 ou 2 watts, ce qui est suffisant pour de petits usages, comme l’alimentation de calculatrices ou de montres.
Les cellules photovoltaïques sont connectées électriquement dans un module ou un panneau photovoltaïque emballé et étanche aux intempéries. Les modules photovoltaïques varient en taille et en quantité d’électricité qu’ils peuvent produire. La capacité de production d’électricité des modules PV augmente avec le nombre de cellules du module ou avec la surface du module. Les modules PV peuvent être connectés en groupes pour former un réseau PV. Un réseau PV peut être composé de deux ou de centaines de modules PV. Le nombre de modules PV connectés dans un réseau PV détermine la quantité totale d’électricité que le réseau peut produire.
Les cellules photovoltaïques produisent de l’électricité en courant continu (CC). Ce courant continu peut être utilisé pour charger des batteries qui, à leur tour, alimentent des appareils utilisant du courant continu. La quasi-totalité de l’électricité est fournie sous forme de courant alternatif (CA) dans les systèmes de transmission et de distribution d’électricité. Des dispositifs appelés onduleurs sont utilisés sur les modules PV ou dans les réseaux pour convertir le courant continu en courant alternatif.
Les cellules et les modules photovoltaïques produisent la plus grande quantité d’électricité lorsqu’ils sont directement tournés vers le soleil. Les modules et les panneaux photovoltaïques peuvent utiliser des systèmes de suivi qui déplacent les modules pour qu’ils soient constamment face au soleil, mais ces systèmes sont coûteux. La plupart des systèmes photovoltaïques ont des modules en position fixe, les modules étant orientés directement vers le sud (dans l’hémisphère nord – directement vers le nord dans l’hémisphère sud) et selon un angle qui optimise les performances physiques et économiques du système.
Applications des systèmes photovoltaïques
Les plus petits systèmes photovoltaïques alimentent des calculatrices et des montres-bracelets. Les plus grands systèmes peuvent fournir de l’électricité pour pomper de l’eau, alimenter des équipements de communication, fournir de l’électricité à une seule maison ou à une entreprise, ou former de grands réseaux qui alimentent en électricité des milliers de consommateurs.
Voici quelques avantages des systèmes photovoltaïques
Les systèmes photovoltaïques peuvent fournir de l’électricité dans des endroits où il n’existe pas de système de distribution d’électricité (lignes électriques), et ils peuvent également alimenter un réseau électrique.
Les panneaux photovoltaïques peuvent être installés rapidement et peuvent être de n’importe quelle taille.
Les effets environnementaux des systèmes PV situés sur les bâtiments sont minimes.
Histoire du photovoltaïque
La première cellule photovoltaïque pratique a été mise au point en 1954 par les chercheurs de Bell Téléphone. À partir de la fin des années 1950, les cellules photovoltaïques ont été utilisées pour alimenter les satellites spatiaux américains. À la fin des années 1970, les panneaux photovoltaïques fournissaient de l’électricité dans des endroits éloignés, ou hors réseau, qui ne disposaient pas de lignes électriques. Depuis 2004, la plupart des panneaux photovoltaïques installés aux États-Unis le sont dans des systèmes connectés au réseau sur des maisons, des bâtiments et des centrales électriques.