Les cellules photovoltaïques sont constituées d’un matériau semi-conducteur qui transforme l’énergie lumineuse (photons) en électricité. Quand le semi-conducteur est exposé à la lumière, un photon arrache un électron et crée un « trou ». Le principe de la cellule est de forcer les électrons à se diriger vers une face opposée du matériau, sinon l’électron se replacerait dans un autre trou.
La couche supérieure de la cellule présente un excès d’électrons libres par rapport à une couche de silicium pur, elle est composée de silicium dopé N (pour une charge négative de l’électron). La couche inférieure présente un manque d’électrons libres par rapport à du silicium pur. Elle est composée d’un silicium dopé P, pour une charge positive de l’électron. Lorsque que les deux couches sont mises en contact (jonction PN), les électrons en excès de la zone N passent dans la couche P pour se recombiner avec les trous de cette région. La couche dopée N devient chargée positivement et la zone P négativement. Il se crée un champ électrique entre les deux couches de N vers P, ce qui fait de la cellule une véritable diode ne permettant le passage du courant que dans un sens. Sous l’effet de la lumière, la cellule devient un générateur de courant continu.
Le dopage des couches consiste à en améliorer la conductivité. La cellule est pourvue de contacts électriques pour exploiter sa production.
Le problème est qu’une cellule produit une faible puissance (de 1 à 3 W) pour une tension de moins d’un volt. Il est donc impératif de grouper les cellules en série et en parallèle pour constituer les panneaux solaires photovoltaïques de capacité exploitable.
Ce principe est valable pour les cellules à base de silicium, les plus répandues.
Le silicium pour les panneaux solaires est fabriqué à partir de silicium dit métallurgique issu de quartz ou d’un gisement. Différents procédés permettent sa purification jusqu’à 99,999 %, autorisant ainsi sont utilisation pour les cellules photovoltaïques.
Ensuite vient la phase de cristallisation du silicium liquide pour obtenir un lingot de silicium solide. Deux principes existent qui permettent de créer soit du silicium monocristallin (un seul cristal) sous forme de lingot circulaire, soit du silicium polycristallin (plusieurs cristaux) sous forme cubique (forme du creuset de fusion), qui est ensuite découpé en briques.
Le silicium monocristallin est de couleur unie, son coût de fabrication est élevé et énergivore, mais il permet d’obtenir le meilleur rendement de tous les systèmes photovoltaïques actuels.
Le silicium polycristallin présente une mosaïque de cristaux de taille, de forme et d’orientations différentes. Son rendement est inférieur au monocristallin, notamment sous faible éclairement, et il est moins cher à fabriquer.
Dans le processus de fabrication, les briques sont découpées avec une scie à fil en de fines tranches (200 micromètres d’épaisseur) : les wafers. Ces derniers sont ensuite soumis à l’opération de dopage (jonction PN) dans un four à diffusion ou par un autre procédé. Les wafers reçoivent ensuite un traitement antireflet, puis passent par l’étape de la métallisation (pose des électrodes pour le captage du courant).
On obtient ainsi les cellules photovoltaïques qui sont testées, puis assemblées en chaîne et reliées entre elles. Les éléments ainsi constitués sont placés entre deux feuilles thermoformables, puis enserrées entre deux plaques de verre. Le vide est créé et différents éléments sont ajoutés : châssis, diodes, boîtier de raccordement afin d’obtenir un panneau solaire.
Il existe une autre technique de fabrication qui consiste à créer un ruban de silicium entre deux filaments portés à haute température et tirés verticalement à travers un bain de silicium en fusion. On obtient ainsi une sorte de grand ruban découpé en cellules. La technique est plus rapide et il n’y a plus à passer par l’étape des lingots et du sciage.
Les panneaux à base de cellules au silicium monocristallin (mono c-SI), polycristallin (multi c-SI) ou en ruban (ribbon-sheet c-SI) représentent environ 90 % du marché. On les appelle parfois panneaux de première génération.
D’après Le grand livre de l’électricité © DFTG