Sommaire
Préambule : les technologies photovoltaïques dans le contexte de la chaleur décarbonée
Introduction
Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui lorsqu’il est exposé au spectre solaire génère une tension électrique par effet photovoltaïque.
Toutes les cellules sont créées à partir de matériaux semi-conducteurs. La plupart du temps, c’est le silicium (Si) qui est utilisé mais on rencontre aussi le sulfure de cadmium (CdS), le tellure de cadmium (CdTE), des alliages de cuivre indium et sélénium (CIS),…
Trois technologies principales de cellules existent suivant leur mode de production :
1ère génération : cellules cristallines
Ces cellules, généralement en silicium, ne comprennent qu’une seule jonction p-n. La technique de fabrication de ces cellules, basée sur la production de “wafers” à partir d’un silicium très pure, reste très énergivore et coûteuse. La limite théorique de rendement de ce type de cellule est de ±27%. Les cellules les plus récentes s’approchent chaque année de plus en plus de cette limite.
Méthode de fabrication : le cristal formé par refroidissement du silicium en fusion dans des creusets parallélépipédiques est ensuite découpé en fines tranches appelées “wafers”. Les cellules sont alors obtenues après “dopage” et traitement de surface.
On distingue deux types de cellules cristallines :
Les cellules polycristallines
Le refroidissement du silicium en fusion est effectué dans des creusets parallélépipédiques à fond plat. Par cette technique, des cristaux orientés de manière irrégulière se forment. Cela donne l’aspect caractéristique de ces cellules bleutées présentant des motifs générés par les cristaux.
Rendement
17 – 19% (On obtient ainsi une puissance de 170 à 190 Wc par m²)
Ces cellules, autrefois dominantes sur le marché, sont progressivement remplacées par les technologies monocristallines plus performantes, notamment de type n (Source: Agrivoltis, 2025).
Avantage
- Rapport performance/prix – Coût de fabrication réduit.
Inconvénient
- Rendement inférieur aux technologies monocristallines modernes.
- Part de marché en diminution.
Les cellules monocristallines
Ces cellules sont constituées de cristaux très purs obtenus par un contrôle strict et progressif du refroidissement du silicium. Elles dominent désormais le marché.
Rendement
Avantage
- Rendements élevés et en constante progression
- Meilleure performance à haute température
- Durée de vie allongée (30+ ans pour les technologies récentes)
Inconvénients
- Coût plus élevé pour les technologies les plus avancées (HJT, IBC)
- Processus de fabrication plus complexe
2ème génération : couches minces “thin films”
Dans le cas de “couches minces”, le semi conducteur est directement déposé par vaporisation sur un matériau support (du verre par exemple). Le silicium amorphe (a-Si) (silicium non cristallisé de couleur gris foncé), le tellurure de cadmium (CdTe), le disélénium de cuivre indium (CIS) font notamment partie de cette génération. Ce sont des cellules de cette technologie que l’on retrouve dans les montres, calculatrices,… dites solaires !
Le silicium amorphe
Rendement
6 à 8% soit 60-80 Wc/m².
Avantages
- Moins coûteux que la première génération puisqu’elle consomme moins de matériau semi-conducteur.
- Moins polluant à la fabrication (ne nécessite pas de passer par l’étape de transformation du silicium en “wafers”).
- Fonctionne avec éclairement faible et diffus.
- Moins sensible à l’ombrage et aux élévations de température.
- Possibilité de créer des panneaux souples et semi-transparents.
- Panneaux légers adaptés à l’intégration architecturale.
Inconvénients
- Rendement global plus faible.
- Diminution de performance avec le temps plus importante (effet Staebler-Wronski).
- Part de marché très réduite face aux technologies cristallines.
Le tellure de Cadnium, Disélénium de cuivre indium (avec ou sans Gallium)
Il existe d’autres types de cellules “couches minces” : tellurure de cadmium (CdTe), le disélénium de cuivre indium (CIS),…
Le CdTe présente de bonnes performances, mais la toxicité du cadmium reste problématique pour sa production.
Rendement
Avantages
- Fonctionnent avec éclairement faible.
- Moins sensible à l’ombrage et aux élévations de température.
- Possibilité de créer des panneaux souples.
- Panneaux légers.
Inconvénients
- Rendement global plus faible en ce qui concerne les cellules commercialisées.
- Rendement moindre sous éclairement direct.
- Diminution de performance avec le temps plus importante.
- Durée de vie moins grande que les cellules cristallines.
3ème génération : Perovskites, multijonction, concentration, …
Pour améliorer les rendements des cellules, la recherche se tourne actuellement vers plusieurs pistes dont notamment :
- Les Cellules Pérovskites sont des cellules composées d’un élément hybride organique-inorganique ayant une structure de pérovskite.
- Ces cellules sont apparues en 2000 avec un rendement de 3,8 %. Depuis, en 2016, le rendement est passé à 22,1 % ce qui en fait une alternative prometteuse ! Leur coût de production est faible. L’inconvénient de ces cellules réside dans leur instabilité et faible résistance aux agents extérieurs (eau, températures…). Néanmoins bon nombre de recherches prometteuses sont en cours et devraient finir de rendre ce type de cellules rapidement intéressantes.
- Cellules multicouches : superposition de multiples cellules aux propriétés différentes (utilisant des bandes d’énergie différentes permettant un balayage plus large du spectre solaire). Ce type de cellules est déjà commercialisé, mais principalement pour des applications spatiales. Les rendements obtenus sous concentration sont très prometteurs (au délà de 30 %)..
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- Sunlight spectrum ;
- Tunnel junctions ;
- Cell 1, cell 2, cell 3.
Structure d’une cellule triple-jonction.
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- Cellules à concentration (permet d’utiliser des photons à basse énergie qui ne sont habituellement pas absorbés par la cellule).
- Cellules organiques,…
Évolution des rendements et stabilité
Autres technologies émergentes
Conclusion
- Les cellules cristallines à jonction simple se rapprochent de leur performance ultime théorique (± 27 %).
- Les TF-PV (ThinFilm PV) s’améliorent très rapidement et commencent à concurrencer les cellules cristallines en terme de rendement.
- Les Cellules à Perovskites sont un nouveau matériau plein de potentie.
- Les Tandems Silicones-Cristallins semblent être la voie à suivre pour atteindre des rendements supérieurs à 30 % à faible coûts.
[imec]
Courtesy of M. Hermle, Fraunhofer ISE.
Auteur : Olivier
Notes : mise en page Sylvie (08/2010)
A faire encore : liens sur les mots soulignés !
[…] L’article sur les types de cellules photovoltaïques présente un panorama actualisé des technologies disponibles, particulièrement pertinent dans le cadre des stratégies de décarbonation de la chaleur. Les cellules monocristallines dominent désormais le marché avec une évolution technologique remarquable : les nouvelles architectures PERC (21-22% de rendement), TOPCon (22-23%) et HJT (23-24%) remplacent progressivement les technologies traditionnelles. Les technologies de troisième génération ouvrent des perspectives exceptionnelles avec les cellules tandem atteignant 34,6% de rendement en laboratoire et les pérovskites qui, malgré leurs défis de stabilité, annoncent une commercialisation imminente grâce aux améliorations récentes. Dans le contexte de la décarbonation de la chaleur, ces avancées technologiques trouvent leur application optimale à travers le couplage avec les pompes à chaleur, créant des systèmes de chauffage à très faible empreinte carbone. Les systèmes PV-T (photovoltaïque-thermique) permettent une production simultanée d’électricité et de chaleur, optimisant l’utilisation de l’espace disponible, tandis que le développement de l’autoconsommation et des communautés énergétiques favorise l’intégration locale de ces technologies. Cette synergie entre production photovoltaïque et besoins thermiques s’inscrit parfaitement dans la stratégie wallonne de sortie des énergies fossiles à l’horizon 2050, offrant aux professionnels du secteur des solutions technologiques matures et performantes pour la transition énergétique des bâtiments existants. Lire l’article complet sur les types de cellules photovoltaïques (mise à jour 2025) […]