L'énergie solaire est donc présente partout, propre, et gratuite.
Cependant, pour être convertie en électricité, elle nécessite un appareillage de haute technologie.

Les matériaux semi-conducteurs ont la propriété de transformer la lumière en électricité. C'est ce qu'on appelle l'effet photovoltaïque.

Le silicium, élément très répandu, est le semi-conducteur utilisé dans la quasi-totalité des cellules produites jusqu'à maintenant. Sous trois formes : monocristallin, polycristallin et amorphe.


Ce sont les cellules au silicium monocristallin qui offrent le meilleur rendement (19%), suivies par celles au silicium polycristallin (15%).

Le rendement des cellules au silicium amorphe ne dépasse pas 9% et diminue sensiblement avec le temps.

Les cellules, combinées en série et en parallèle pour obtenir la tension et l'ampérage voulu, sont encapsulées entre une plaque de verre et un coffrage métallique pour former des "modules" photovoltaïques. Cependant, depuis peu, les cellules peuvent également être intégrées dans la structure même d'un bâtiment : entre des parois vitrées, ce qui permet de créer des jeux d'ombre en fonction de l'espacement des cellules, ou dans des tuiles du toit. Ceci offre aux architectes de nouvelles possibilités esthétiques.

Ces modules, appelés plus couramment panneaux ou capteurs convertissent donc directement, et sans pièce mobile, l'énergie solaire en électricité. Leur rendement énergétique, de 10 à 18 % actuellement, n'est pas du tout ridicule lorsqu'on sait que

• celui d'une centrale thermique traditionnelle, brûlant du charbon ou du fioul, ne dépasse guère 35% ;
• celui d'un groupe électrogène tourne autour de 25%.

Le développement de cette filière n'est donc pas freiné par son rendement mais par son coût. du moins a ce jour ...

La cellule photovoltaïque est composée d’un matériau semi-conducteur qui absorbe l’énergie lumineuse et la transforme directement en courant électrique.

Types de cellules:

Généralement on distingue trois générations de cellules photovoltaïques en fonction des développements technologiques.

1ère génération

 Les cellules de première génération sont basées sur une seule jonction p-n et utilisent généralement le silicium sous forme cristalline comme matériau semi-conducteur. La méthode de production basée sur les wafers de silicium est très énergivore et donc très chère. Elle nécessite par ailleurs un silicium d'une grande pureté. On différencie également les cellules à base de silicium monocristallin et polycristallin. Ces dernières ont un rendement inférieur par rapport aux premières, mais ont un coût de fabrication moins élevé.

2e génération

 Les couches minces ("thin films") constituent la seconde génération de technologie photovoltaïque. Dans cette génération, on distingue le silicium amorphe (a-Si), le disélénium de cuivre indium (CIS), le tellurure de cadmium (CdTe), entre autres.

Dans le cas de couches minces, la couche de semi conducteur est directement déposée sur un substrat (par exemple du verre). La production de ce type de cellules est moins coûteux que la première génération puisqu'elle consomme moins de matériau semi-conducteur et ne nécessite pas de passer par l'étape de transformation du silicium en "wafers". Le problème des cellules de seconde génération est le rendement moindre de ce type de cellules (6-7% et 14% en labo) et la toxicité de certains éléments (cadmium) pour leur fabrication. Cependant, cette seconde génération a beaucoup d'avantages pour des marchés de niche comme les applications en modules flexibles, avec de faibles illuminations ou avec des températures élevées.

Le disélénium de cuivre Indium (CIS) qui est au stade de la production industrielle et offre un rendement de 10 à 12 % pour ses modules commerciaux ne présente pas les problèmes de toxicité du cadmium.
Les réductions de coût attendues à moyen terme pour cette technologie sont donc très prometteuses.

3e génération

La troisième génération vise à passer la limite maximale de rendement des cellules actuelles, qui est d'environ 30%. Plusieurs concepts sont envisagés pour atteindre cet objectif :

• superposition de multiples cellules (utilisant des bandes d'énergie différentes)
• cellules à concentration
• utilisation des photons à basse énergie qui ne sont habituellement pas absorbés par la cellule
• cellules à électrons chauds produisant plus de pairs électron/trou pour des énergies supérieures à la bande d'énergie
• conversion des photons pour ajuster le spectre de la lumière solaire aux caractéristiques du semi-conducteur.

Rendement des cellules:

Le rendement d’une cellule est le ratio entre l’énergie lumineuse reçue à la surface de la cellule et l’énergie électrique produite  par cette même cellule.

Le rendement d’une cellule photovoltaïque serait d’environ 85% si chaque photon pouvait transférer toute son énergie à un électron. Cependant, ce n’est pas le cas vu que le transfert d’énergie peut se faire uniquement selon la bande d’énergie propre à chaque semi-conducteur. Ainsi, les photons avec une énergie inférieure à cette valeur type ne pourront participer à l’effet photovoltaïque et leur énergie sera convertie en chaleur. De plus, les photons avec plus d’énergie ne peuvent transmettre que l’énergie propre au semi-conducteur et tout excès est dès lors perdu. Dans les cellules actuelles, ces 2 effets limitent le rendement théorique des cellules à 50%.

*sous concentration de 236 soleils
** Module triple jonction GaInP/AsGa/G/Ge
Source : Systèmes Solaires – hors série spécial recherche solaire – juillet 2006