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[[Catégorie:Énergie photovoltaïque]]
La cellule photovoltaïque est l'élément de base du [[Module photovoltaïque|module photovoltaïque]]. Elle se présente généralement sous la forme d'une fine plaque d’une dizaine de centimètres de côté. Exposée à la lumière ([[Photon|les photons]]), cette plaque produit de l'électricité grâce à l'effet photovoltaïque.


== Constitution ==

Elle est constituée d'un wafer de matériau semi-conducteur (principalement [[Silicium|le silicium]]). Sur sa face supérieure, le semi-conducteur est dopé négativement (N) avec une quantité d'électrons libres supérieure à celle du matériau intrinsèque. Sur sa face inférieure le semi-conducteur dopé positivement (P). Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d'électrons libres inférieure à celle du matériau intrinsèque.
La différence de potentiel permet alors de faire circuler les électrons excitées par la lumière.

On ajoute alors les contacts électrique de manière à récupérer les électrons et donc le courant électrique. Enfin, une couche antireflet permet d'améliorer la transmission des photons dans la cellule.


== Les différentes technologies ==

Il existe plusieurs [[Technologies de cellules solaires|technologies de cellules solaires]], mais toutes sont composées de matériaux semi-conducteurs. Le principal matériau semi-conducteur utilisé est le silicium. Trois technologies utilisent ce matériau:

*la cellule au [[Cellule au silicium amorphe|silicium amorphe]];
*la cellule au [[Cellule au silicium monocristallin|silicium monocristallin]];
*la cellule au [[Cellule au silicium polycristallin|silicium polycristallin]].

De façon plus marginale, certaines cellules sont composées d'un autre matériau semi-conducteur comme le [[Cellule au tellurure de cadmium|tellurure de cadmium]] (Cd Te) ou le [[Cellule au diséléniure de cuivre et d'indium|diséléniure de cuivre et d'indium]] (CIS).


=== La cellule au silicium amorphe ===

[[Fichier:Amorphe.jpg|200px|thumb|right|Rouleaux de cellules amorphes]]
La [[Cellule au silicium amorphe|cellule au silicium amorphe]] est constituée d'un silicium ayant une structure atomique désordonnée, c'est à dire non-cristallisé. Ce matériau absorbe la lumière beaucoup plus qu'un silicium cristallin. Il fait partit de la technologie "couche mince" qui consistent à déposer sous vide sur un substrat (verre, métal, plastique, …) une fine couche uniforme composée d’un et plus souvent de plusieurs matériaux réduits en poudre. Les cellules sont gris foncé.

'''Avantages:'''

*peut être appliquée sur une surface importante (4 voire 6 m<sup>2</sup>), et peut être ensuite découpés;
*peut être utilisée sur des modules courbes ou souples;
*peu [[Influence de la température sur le rendement photovoltaïque|sensible à l'échauffement]] autour de 60°C;
*fonctionne à un très faible niveau de luminosité (à partir de 20 lux);
*fabrication en principe moins onéreuse.

'''Inconvénients:'''

*rendement bien inférieur à celui du silicium cristallin (entre 5% et 7% dans le commerce)<ref>SER - ''Annuaire de la recherche et de l'industrie photovoltaïques françaises 2013-2014'': [http://enr.fr/docs/2013115146_ANPV2013livreBDweb208072013.pdf]</ref>;
*industrialisation encore peu développée par rapport aux technologies cristallines;
*baisse de rendement dès les premières semaines d'exposition.

=== La cellule au silicium monocristallin ===

[[Fichier:Monocristallin.png|200px|thumb|right|Cellule au silicium monocristallin]] 
La [[Cellule au silicium monocristallin|cellule au silicium monocristallin]] est constituée d'un silicium formé d'un seul cristal ordonné. Ce matériau est obtenu directement d'un germe ou recristallisé à haute température sous forme d'un lingot. Il est ensuite découpé en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme.

'''Avantages:'''

*son rendement est très bon (15 à 20% dans le commerce, 25% en laboratoire)<ref>SER - ''Annuaire de la recherche et de l'industrie photovoltaïques françaises 2013-2014'': [http://enr.fr/docs/2013115146_ANPV2013livreBDweb208072013.pdf]</ref>;
*bon ratio Wc/m2 (~150 Wc/m2) ce qui permet un gain de place si nécessaire;
*nombre de fabricants élevé.

'''Inconvénients:'''

*fabrication plus délicate et donc plus coûteuse;
*rendement faible sous un faible éclairement (plage d'utilisation: 100 à 1000 W/m<sup>2</sup>);
*[[Influence de la température sur le rendement photovoltaïque|sensible à l'échauffement]], forte baisse de rendement autour de 60°C.

=== La cellule au silicium multicristallin ===

[[Fichier:Multicristallin.jpg|200px|thumb|right|Cellule au silicium multicristallin]] 
La [[Cellule au silicium multicristallin|cellule au silicium multicristallin]] (ou polycristallin) est constituée de cristaux de 1mm à environ 2cm assemblés, appelé "grains". La multitude de cristaux se forme pendant le refroidissement du silicium dans la lingotière. La cellule photovoltaïque est d'aspect bleuté, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux.

'''Avantages:'''

*les cellules peuvent être de forme carrée (à coins arrondis pour le monocristallin) permettant un meilleur foisonnement dans un module;
*bon rendement de conversion (12-16% dans le commerce, 20% en laboratoire)<ref>SER - ''Annuaire de la recherche et de l'industrie photovoltaïques françaises 2013-2014'': [http://enr.fr/docs/2013115146_ANPV2013livreBDweb208072013.pdf]</ref>;
*lingot moins cher à produire que le monocristallin.
*nombre de fabricants élevé.

'''Inconvénients:'''

*rendement faible sous un faible éclairement (plage d'utilisation: 200 à 1000 W/m<sup>2</sup>);
*sensible à l'échauffement, forte baisse de rendement autour de 60°C.

=== Les autres technologies ===

Les cellules sont faites aussi avec d'autres matériaux comme l'arséniure de gallium (GaAs), le tellurure de cadmium (Cd Te) ou le diséléniure de cuivre et d'indium (CIS) qui ont l'avantage d'absorber fortement la lumière, mais leur manipulation est difficile et certains matériaux comme le cadmium pose des problèmes de toxicité.


==== Arséniure de gallium (GaAs) ====

[[Fichier:ArseniureGallium.jpg|200px|thumb|right|Système à concentration Zenith Solar utilisant des cellules à base d'arséniure de Gallium]]
Ce matériau possède un très haut rendement, mais reste très onéreux du fait des éléments utilisés. Il est utilisé dans le [[Le photovoltaïque pour satellite|domaine spatial]] ou sur des [[Le photovoltaïque sous concentration‎|systèmes à concentration]].

'''Avantages:'''

*très haut rendement (> 25% dans le commerce, 40% en laboratoire)<ref>SER - ''Annuaire de la recherche et de l'industrie photovoltaïques françaises 2013-2014'': [http://enr.fr/docs/2013115146_ANPV2013livreBDweb208072013.pdf]</ref>
*peu sensible à la chaleur


'''Inconvénients:'''

*prix très élevé
*nécessite un dispositif de concentration (lentille de Fresnel) et de suivi du soleil (tracker)


==== Tellurure de cadmium (CdTe) ====

{| align="right" border="0"
|[[Fichier:TellurureCadmium.jpg|140px|thumb|right|Panneau solaire First Solar à base de tellurure de cadmium]]
|[[Fichier:CIS.jpg|140px|thumb|right|Panneau solaire Solar Frontier à base de diséléniure de cuivre et d'indium]]
|}
Ce matériau absorbe très bien la lumière et peut être déposé en couches minces. Cependant son rendement reste encore assez faible et la toxicité du cadmium pose un problème une fois la cellule en fin de vie.

'''Avantages:'''

*peu coûteuse (0,98 $/W)
*bonne performance en cas de faible luminosité
*moins sensible à la chaleur que le silicium

'''Inconvénients:'''

*toxicité du cadmium
*rendement moyen (7-9% dans le commerce, 16,5% en laboratoire)<ref>SER - ''Annuaire de la recherche et de l'industrie photovoltaïques françaises 2013-2014'': [http://enr.fr/docs/2013115146_ANPV2013livreBDweb208072013.pdf]</ref>


==== Diséléniure de cuivre et d'indium ====

Ce matériau est déposé sur la cellule en couche mince par des méthodes chimiques ou par un dépôt sous vide, sur une couche de sulfure de cadmium (Cd S). Cependant la toxicité du cadmium pose un problème une fois la cellule en fin de vie.

'''Avantages:'''

*bonne résistance dans le temps
*bon rendement (12-13% dans le commerce, 20,3% en laboratoire)<ref>SER - ''Annuaire de la recherche et de l'industrie photovoltaïques françaises 2013-2014'': [http://enr.fr/docs/2013115146_ANPV2013livreBDweb208072013.pdf]</ref>

'''Inconvénients:'''

*toxicité du cadmium
*peu de ressources d'indium sur terre<ref>Indium Corporation - ''Availability of Indium and Gallium'': [http://www.indium.com/technical-documents/whitepaper/availability-of-indium-and-gallium-english]</ref>


==== Cellules multijonctions (matériaux III-V) ====

Les [[Cellule Multijonction|cellules multijonctions]] sont composées d'un grand nombre de semi-conducteurs (GaAs, Ge, GaInP2...), absorbant chacun dans un spectre limité. Cette technologie permet de dépasser le plafond théorique du rendement d'une cellule photovoltaïque au dessus de 33,5%, appelé « limite de Shockley-Queisser ».

'''Avantages:'''

*très bon rendement (31,8% dans le commerce, 44,7% en laboratoire)<ref>Le journal du photovoltaïque - Hors-série n°11 2014 - ''Fresque des rendements photovoltaïques''</ref>

'''Inconvénients:'''

*Coût élevé
*peu de ressources d'indium sur terre<ref>Indium Corporation - ''Availability of Indium and Gallium'': [http://www.indium.com/technical-documents/whitepaper/availability-of-indium-and-gallium-english]</ref>


==== Cellules organiques ====

Les [[Cellule organique|cellules organiques]] sont composées de molécules organiques pour transformer la lumière en électricité.

Il en existe principalement de trois types :

*Les cellules photovoltaïques organiques moléculaires
*Les cellules photovoltaïques organiques à base de polymères
*Les cellules photovoltaïques hybrides

'''Avantages:'''

*facilité de la fabrication
*coût faible

'''Inconvénients:'''

*rendement bas (11,1% en laboratoire)<ref>Le journal du photovoltaïque - Hors-série n°11 2014 - ''Fresque des rendements photovoltaïques''</ref>
*durée de vie faible


==== Cellules à particules quantiques ====

Les [[Cellule à particules quantiques|cellules à particules (ou points) quantiques]] sont des cellules composés d'un nanocristal semi-conducteur. Les particules quantiques ont l’avantage d’avoir une largeur de bande qui peut être réglée en changeant simplement la taille des nanoparticules, de sorte qu’ils peuvent facilement être conçus pour absorber les différentes parties du spectre solaire.

'''Avantages:'''

*fort potentiel
*matériaux non toxiques

'''Inconvénients:'''

*rendement bas (8,6% en laboratoire)<ref>Le journal du photovoltaïque - Hors-série n°11 2014 - ''Fresque des rendements photovoltaïques''</ref>


==== Cellules Cuivre Zinc Étain Soufre et Sélénium (CZTS) ====

[[Fichier:Couches_CZTS.jpg|240px|thumb|right|Les différentes couches d'une cellule CZTS - NREL]]
La [[Cellule CZTS|cellule CZTS]] est composé d'un absorbant fait de cuivre, de zinc, d’étain, de soufre et de sélénium, de formule Cu<sub>2</sub>ZnSn(S,Se)<sub>4</sub>. L’ajout d’un autre semi-conducteur dopé n est requis pour former une hétérojonction, comme pour les cellules CIGS. Cette technologie à l'avantage de n'utiliser que d’éléments courants et non toxiques
<ref>Futura Sciences - ''Les cellules photovoltaïques, cœur des panneaux solaires'' : [http://www.futura-sciences.com/magazines/environnement/infos/dossiers/d/developpement-durable-cellules-photovoltaiques-coeur-panneaux-solaires-1688/page/12/]</ref> 

Les couches d'une cellule CZTS sont les suivantes :

* un verre de protection ;
* une couche conductrice transparente d’oxyde de zinc intrinsèque (elle est parfois précédée d’une couche de ZnO dopée à l’aluminium, de 400 nm d’épaisseur) ;
* une couche de sulfure de cadmium (CdS) ou d’un composé mixte comprenant du zinc, de l’oxygène, du soufre et des hydroxydes Zn(S,O,OH). D’une épaisseur de 70 nm, ils sont naturellement dopés n ;
* la couche de CZTS (épaisseur d’environ 1,5 µm) ;
* un conducteur inférieur, généralement du molybdène (épaisseur de 300 nm) ;
* un substrat.

'''Avantages:'''

*utilisation de matériaux courants
*matériaux non toxiques

'''Inconvénients:'''

*rendement moyen (12,6% en laboratoire)<ref>Le journal du photovoltaïque - Hors-série n°11 2014 - ''Fresque des rendements photovoltaïques''</ref>


==== Cellules à colorants ====

Les [Cellule à colorant|cellules à colorants], dites cellules de Grätzel sont des cellules mixtes organiques-inogarniques, constituées d'une matrice poreuse de TiO<sub>2</sub> imprégnée de colorant et d'un électrolyte liquide.

'''Avantages:'''

*utilisation de matériaux courants
*matériaux non toxiques

'''Inconvénients:'''

*rendement faible (3 à 5% dans le commerce, 11,9% en laboratoire)<ref>Le journal du photovoltaïque - Hors-série n°11 2014 - ''Fresque des rendements photovoltaïques''</ref>


==== Cellules pérovskite ====

La cellule pérovskite est un type de cellule solaire qui comprend un composé à structure de pérovskite (CaTiO3 - titanate de calcium).

'''Avantages:'''

*fabrication bon marché

'''Inconvénients:'''

*bon rendement (20,1% en laboratoire)<ref>Industrie et Technologies - ''Record de rendement de conversion photovoltaïque pour la pérovskite'' : [http://www.industrie-techno.com/record-de-rendement-de-conversion-photovoltaique-pour-la-perovskite.35644]</ref>


== Notes et références ==

<References/>