Rappel de fonctionnement physique d’une cellule photovoltaïque

Les cellules photovoltaïques (PV) ouvrent la possibilité de produire de l’électricité directement à partir du rayonnement solaire, sans nécessiter ni pièces mobiles, ni production de chaleur et sans entraîner de pollution atmosphérique, locale ou globale. L’évolution technologique a été importante depuis les premières photopiles qui, en raison de leur coût très élevé et de leur faible rendement, étaient principalement destinées à des applications très spécifiques telles que l’alimentation énergétique des satellites. Les programmes initiés dans de nombreux pays à la suite des chocs pétroliers pour améliorer la productivité des cellules et diminuer leur coût, ont permis une progression sensible des performances ; le prix moyen des cellules qui dépassait 100 $/Wc au début des années 1970, a ainsi été ramené autour de 5 $/Wc à la fin des années 1980. La production industrielle qui était limitée à quelques dizaines de kWc au début des années 1970, a été multipliée par un facteur mille en l’espace d’une dizaine d’années pour atteindre 10 MWc en 1982, puis 100 MWc en 1997.

La diffusion des cellules PV s’étend aujourd’hui au delà des marchés niches initiaux sur des applications spécifiques, en particulier, les télécommunications dans les pays industrialisés ou l’électrification des populations rurales isolées, dans les pays en développement. Si des applications nécessitent des mécanismes d’incitation appropriés, le PV représente d’ores et déjà, la technologie de référence sur certains segments de marché. La possibilité pour l’énergie PV de figurer un jour parmi les technologies de production d’électricité et de contribuer significativement à l’approvisionnement énergétique reste toutefois encore incertaine. L’intermittence et la faible concentration de la ressource constituent des contraintes techniques fortes pour une intégration au système électrique. Mais surtout, la progression des performances est encore insuffisante pour assurer la compétitivité du PV avec les technologies existantes de production d’électricité. Pour pénétrer sur le créneau des applications raccordées au réseau, la dynamique de progression des rendements et de décroissance des coûts doit se poursuivre. Or, il n’est pas certain que les marges de progression résiduelles sur la trajectoire technologique aujourd’hui dominante soient compatibles avec la nécessaire réduction du coût de l’électricité PV.

Plusieurs technologies sont en compétition pour la production de cellules PV, mais le silicium cristallin est la technologie dominante. Sa proximité technologique avec l’industrie des composants électroniques lui a permis de s’imposer rapidement en profitant de la base de connaissance acquise par cette dernière, puis du processus d’apprentissage occasionné par l’élargissement de la diffusion du PV. Aujourd’hui le silicium cristallin est la technologie qui présente les meilleures performances mais elle dépend de procédés industriels mal adaptés à la production à grande échelle et à faibles coûts, indispensables pour pénétrer sur les marchés énergétiques.

Historique de la cellule photovoltaïque : 

En effet le mot  » photovoltaïque  » vient de mot grec  » photo  » qui signifie lumière et de  » voltaïque » qui tire son origine du nom d’un physicien italien « Alessandro volta » (1754 -1827) qui a beaucoup contribué à la découverte de l’électricité, alors le photovoltaïque signifie littérairement la « lumière électricité ».
1839 : Le physicien français « Edmond Beckerel » découvre l’effet photovoltaïque.
1875 :« Werner Von Siemens» expose devant l’Académie des sciences de Berlin un article sur l’effet photovoltaïque dans les semi conducteurs.
1887 : « Heinrich Rudolph Hertz» présenta pour la première fois l’effet photoélectrique dans un article de la revue scientifique « Annalen der Physik ».
On appelle effet photoélectrique l’émission des électrons par un matériau soumis à un éclairement ou à un rayonnement électromagnétique d’intensité propre au matériau. Mais jusqu’a la seconde guerre mondiale, le phénomène reste encore une découverte anecdotique.

1954 : Les chercheurs américains « Gerald Pearson », « Darry Chapin » et « Calvin Fuller » fabriquent une cellule Photovoltaïque en silicium.
1958 : une cellule avec un rendement de 9% est mise au point les premiers satellites alimentés par des cellules solaires sont envoyés dans l’espace.
1973 : La première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construite à l’université de Delaware.

1983 : La première voiture alimentée en énergie photovoltaïque parcourt une distance de 4000 Km en Australie.
2013 : « Lem » et « Heweliusz « , les premiers nano-satellites polonais de la constellation BRITE, Décolleront.

Rayonnement solaire : 

La distance de la terre au soleil est environ 150 million de kilomètres et la vitesse de la lumière est d’un peu plus de 300000 km/h, les rayons du soleil mettent donc environ 8 minutes à nous parvenir. La constante solaire est la densité d’énergie solaire qui atteint la frontière externe de l’atmosphère faisant face au soleil. Sa valeur est communément prise égale à 1360W/m . Au niveau du sol, la densité d’énergie solaire est réduit à 1000 W/ m² à cause de l’absorption dans l’atmosphère. Albert Einstein à découvert en travaillant sur l’effet hotoélectrique que la lumière n’avait pas qu’un caractère ondulatoire, mais que son énergie est portée par des particules, les photons. L’énergie d’un photon étant donnée par la relation : Eph = hv=hc/ 𝛌

Avec :
h : Constante de Planck (J.s).
v : Fréquence(s⁻¹).
c : Vitesse de la lumière dans le vide (m.s).
𝛌 : Longueur d’onde (m).

Ainsi, plus la longueur d’onde est courte, plus l’énergie du photon est grande.

Une façon commode d’exprimer cette énergie est : Eph = 1.26/𝛌

Le rayonnement du soleil parvenant à la surface de la terre se compose de l’infrarouge qui procure de la chaleur, le visible qui est nécessaire a la croissance des plantes et des animaux, l’ultraviolet qui brunit la peau et tue les bactéries. Le spectre du soleil s’étend de 200 nm à 3000 nm . [8] L’énergie associe à ce rayonnement solaire se décompose approximativement comme suit:
• 9 % dans la bande des ultraviolets (< à 0.4 μm).
• 47 % dans la bande visibles (0.4 à 0.8 μm).
• 44 % dans la bande des infrarouges (> à 0.8 μm).

Les photopiles se différencient par leur sensibilité spectrale, ou capacité à convertir certaines longueurs d’onde. Au cours de ces dix derniers années ce spectre à été homologués par l’organisation international de standardisation (ISO 9845-1 :1992) et la société américaine de test et de matériaux (ASTM E 892-87 :1992) ont fixées le flux de standardisation à 1000 W/m².