L'énergie solaire, en tant que solution énergétique propre de premier plan, a suscité un vif intérêt au sein de l'industrie. Si cela vous intéresse, explorons la structure des cellules solaires et les matériaux photovoltaïques associés.
L'énergie solaire, souvent produite par les cellules photovoltaïques, convertit directement la lumière du soleil en électricité. Dans les panneaux solaires, les photons du soleil arrachent des électrons aux liaisons atomiques des matériaux semi-conducteurs. Lorsque ces électrons sont contraints de se déplacer dans la même direction, ils génèrent un courant électrique qui peut alimenter des appareils électroniques ou être injecté dans le réseau électrique.
Depuis que le physicien français Alexandre-Edmond Becquerel a théorisé la technologie photovoltaïque en 1839, la production d'énergie solaire est un sujet de recherche majeur. Aujourd'hui, grâce aux efforts d'importantes équipes de recherche américaines, japonaises et européennes qui accélèrent la commercialisation de leurs systèmes solaires, le marché international de l'industrie photovoltaïque poursuit son expansion.
Modules photovoltaïques
Bien que les matériaux utilisés dans les systèmes photovoltaïques varient, tous les modules sont constitués de plusieurs couches, de la face avant à la face arrière. La lumière du soleil traverse d'abord une couche protectrice (généralement du verre), puis une couche de contact transparente pour atteindre la cellule. Au centre du module se trouve le matériau absorbant, qui capte les photons pour générer un courant électrique. Le type de matériau semi-conducteur utilisé dépend des besoins spécifiques du système photovoltaïque.
Sous la couche absorbante se trouve la couche métallique arrière, qui complète le circuit électrique. Sous cette couche métallique se trouve un film composite qui assure l'étanchéité et l'isolation du module. Les modules photovoltaïques sont souvent équipés d'une couche de protection supplémentaire en verre, en alliage d'aluminium ou en plastique.
Matériaux semi-conducteurs
Les matériaux semi-conducteurs utilisés dans les systèmes photovoltaïques peuvent être du silicium, des couches minces polycristallines ou des couches minces monocristallines. Le silicium comprend le silicium monocristallin, le silicium polycristallin et le silicium amorphe. Grâce à sa structure régulière, le silicium monocristallin présente un rendement de conversion photovoltaïque supérieur à celui du silicium polycristallin.
Dans le silicium amorphe, les atomes de silicium sont répartis aléatoirement, ce qui entraîne un rendement de conversion inférieur à celui du silicium monocristallin. Cependant, le silicium amorphe peut capter davantage de photons, et son alliage avec des éléments tels que le germanium ou le carbone peut améliorer cette propriété.
Le diséléniure de cuivre-indium (CIS), le tellurure de cadmium (CdTe) et le silicium en couches minces sont des matériaux polycristallins couramment utilisés. Les matériaux à haut rendement, tels que l'arséniure de gallium (GaAs), intègrent souvent des couches minces de silicium monocristallin. Ces matériaux sont sélectionnés pour des applications photovoltaïques spécifiques en fonction de leurs propriétés uniques, telles que la cristallinité, la largeur de la bande interdite, les capacités d'absorption et la facilité de mise en œuvre.
Facteurs externes affectant les semi-conducteurs
L'agencement atomique au sein d'une structure cristalline détermine la cristallinité des matériaux semi-conducteurs, ce qui influe directement sur le transport de charges, la densité de courant et le rendement de conversion énergétique des cellules solaires. La bande interdite des matériaux semi-conducteurs correspond à l'énergie minimale requise pour faire passer un électron d'un état lié à un état libre (permettant ainsi la conduction). La bande interdite, généralement notée Eg, décrit la différence d'énergie entre la bande de valence (basse énergie) et la bande de conduction (haute énergie).
Le coefficient d'absorption quantifie la distance qu'un photon d'une longueur d'onde donnée peut parcourir dans un milieu avant d'être absorbé. Il est déterminé par le matériau de la cellule et la longueur d'onde du photon absorbé.
Le coût et la facilité de traitement des différents matériaux et dispositifs semi-conducteurs dépendent de nombreux facteurs, notamment le type et la quantité de matériaux utilisés, les cycles de production et les caractéristiques de migration de la cellule dans la chambre de dépôt. Chaque facteur joue un rôle crucial pour répondre aux besoins spécifiques de production photovoltaïque.
