Les cellules monocristallines sont des cellules solaires photovoltaïques fabriquées à partir de silicium monocristallin, un matériau semi-conducteur de haute pureté. Elles se caractérisent par leur couleur uniforme, souvent noire ou bleu foncé, et leur surface plane. Ces cellules sont fabriquées en découpant des wafers fins à partir d’un lingot de silicium monocristallin. Grâce à leur structure cristalline ordonnée et à leur pureté, elles offrent une efficacité énergétique supérieure à celle des cellules polycristallines, généralement entre 18 et 22 %. Elles sont également plus coûteuses à produire en raison du processus de fabrication complexe et des déchets de matériau.
Structure d’une cellules photovoltaïque monocristalline
La composition d’une cellule solaire monocristalline suit une structure logique pour permettre la conversion de la lumière solaire en électricité. Voici les principales couches et éléments constitutifs d’une cellule monocristalline :
Voici la structure d’une cellule photovoltaïque monocristalline de l’avant vers l’arrière :
- Revêtement antireflet : Une couche mince qui réduit la réflexion de la lumière solaire et augmente l’absorption de la lumière par la cellule. Les revêtements antireflet sont généralement composés d’oxyde de silicium ou de nitrure de silicium.
- Grilles de contacts avant : Des bandes conductrices minces, généralement en argent, qui collectent les électrons générés par la cellule et les transportent vers les busbars. Les grilles de contact sont conçues pour minimiser la perte de lumière solaire tout en assurant une bonne conductivité électrique.
- Couche émettrice (zone P) : Une fine couche de wafers de silicium dopée avec des impuretés de type P (comme le bore), créant une zone de charge positive près de la surface de la cellule.
- Jonction PN : La région où la couche émettrice (zone P) rencontre la couche de base (zone N), créant un champ électrique qui sépare les charges positives et négatives générées par l’absorption de la lumière solaire.
- Couche de base (zone N) : La majorité de la cellule est constituée de wafers de silicium monocristallin dopé avec des impuretés de type N (comme le phosphore), créant une zone de charge négative.
- Contacts arrière : Une couche conductrice, généralement en aluminium, qui couvre l’arrière de la cellule et permet de collecter les électrons et de les transporter vers les busbars ou les rubans interconnecteurs. Pour les cellules à contacts arrière passivées (PERC), il y a également une couche passivante entre la couche de base et les contacts arrière, améliorant l’efficacité de la cellule.
- Busbars : Des bandes conductrices plus larges qui relient les grilles de contact avant et les contacts arrière aux rubans interconnecteurs, permettant le transfert de l’électricité générée par la cellule vers les autres cellules du panneau solaire.
Comparaison entre types de cellules
Les cellules à hétérojonction combinent les avantages des cellules monocristallines et des couches minces, offrant une efficacité encore plus élevée et une meilleure tolérance aux températures. Les cellules à couches minces sont moins efficaces que les monocristallines, mais elles sont flexibles, légères et moins sensibles à la température, ce qui les rend idéales pour certaines applications spécifiques. Les cellules à multi-jonctions offrent une efficacité exceptionnelle grâce à leur capacité à absorber différentes longueurs d’onde de lumière, mais elles sont coûteuses et principalement utilisées dans des applications à haut rendement, comme l’aérospatiale.
Les innovations techniques
Les technologies des panneaux bifaciaux, des cellules coupées (demi-cellules), des cellules PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) et de la Tiling Ribbon Technology peuvent être combinées avec les cellules solaires monocristallines pour améliorer leurs performances et leur rendement. Voici les principaux avantages de ces technologies lorsqu’elles sont appliquées aux cellules monocristallines :
- Les panneaux bifaciaux permettent aux cellules monocristallines de capter la lumière solaire à la fois sur leur face avant et arrière, ce qui augmente la production d’énergie globale et améliore l’efficacité énergétique.
- La technologie des demi-cellules consiste à couper cellules monocristallines en deux pour réduire la résistance interne et les pertes par ombrage, ce qui améliore l’efficacité globale du panneau et la tolérance aux ombrages.
- Les cellules PERC ajoutent une couche passivante à l’arrière de la cellule monocristalline, réfléchissant les photons non absorbés vers la cellule pour une nouvelle chance d’absorption. Cela améliore l’efficacité globale et la production d’énergie.
- La Tiling Ribbon Technology utilise des rubans conducteurs plats et sans soudure pour connecter les cellules monocristallines entre elles. Elle réduit les pertes d’efficacité dues à la soudure et augmente la surface active des cellules, permettant une efficacité accrue et une esthétique améliorée.