Les cellules photovoltaïques polycristallines

Les cellules polycristallines sont une technologie de cellules photovoltaïques à base de silicium. Elles sont fabriquées à partir de blocs de silicium fondu puis refroidi lentement, formant plusieurs cristaux. Les cellules présentent une apparence bleutée et un motif en forme de flocon de neige en raison des multiples cristaux. Les cellules polycristallines offrent un compromis entre coût et efficacité, généralement moins chères que les cellules monocristallines mais avec une efficacité légèrement inférieure. Les panneaux photovoltaïques les utilisant ont une efficacité se situe généralement entre 15 et 18 %, bien que des avancées technologiques permettent d’atteindre des valeurs plus élevées.

La structure d’une cellule photovoltaïque polycristalline

La structure d’une cellule photovoltaïque polycristalline est similaire à celle d’une cellule monocristalline, avec quelques différences mineures dues à la nature du matériau de base. Voici la structure d’une cellule polycristalline, de l’avant vers l’arrière :

1. Couche antireflet : Une fine couche antireflet, généralement en oxyde de silicium ou en nitrure de silicium, est déposée sur la surface avant de la cellule. Cette couche réduit la réflexion de la lumière solaire et augmente l’absorption de la lumière dans la cellule.
2. Grille métallique : Des contacts métalliques sous forme de grille sont déposés à l’avant de la cellule pour collecter les électrons générés par la lumière solaire. La grille est conçue pour minimiser la surface recouverte, permettant ainsi à plus de lumière d’atteindre la surface active de la cellule.
3. Couche émettrice (zone P) : La couche émettrice est constituée de silicium polycristallin dopé P, qui génère des trous lorsque les photons frappent la surface de la cellule.
4. Jonction P-N : La jonction P-N est la zone où la couche émettrice dopée P rencontre la couche de base dopée N. Cette jonction crée un champ électrique qui sépare les électrons et les trous, favorisant la circulation du courant.
5. Couche de base (zone N) : La couche de base est constituée de silicium polycristallin dopé N et génère des électrons lorsqu’elle est exposée à la lumière solaire. C’est dans cette couche que se trouvent les wafers de silicium polycristallin.
6. Contacts arrière : Des contacts métalliques sont déposés à l’arrière de la cellule pour collecter les électrons et les trous et les acheminer vers le circuit électrique extérieur.
7. Encapsulation arrière : Une couche protectrice, généralement en verre, en plastique ou en un matériau composite, est appliquée à l’arrière de la cellule pour la protéger des contraintes mécaniques et des conditions environnementales.

Les matériaux des cellules photovoltaïques polycristallines

Les cellules polycristallines, également connues sous le nom de cellules multicristallines, sont principalement composées de silicium polycristallin. Le silicium est un élément abondant et largement utilisé dans l’industrie photovoltaïque en raison de ses propriétés semi-conductrices.

Le silicium polycristallin est obtenu en faisant fondre du silicium pur dans un creuset et en le laissant refroidir lentement pour former un bloc de silicium solide avec plusieurs cristaux. Ce bloc est ensuite découpé en fines tranches appelées wafers, qui servent de base aux cellules solaires polycristallines.

Les wafers de silicium polycristallin se distinguent par leur aspect bleu-gris et leur structure granuleuse, résultant de la présence de multiples cristaux. Contrairement au silicium monocristallin, le silicium polycristallin a une structure cristalline moins ordonnée, ce qui entraîne une efficacité énergétique légèrement inférieure pour les cellules solaires polycristallines par rapport à leurs homologues monocristallines. Cependant, les cellules polycristallines sont généralement moins coûteuses à produire et constituent une option économique pour les applications photovoltaïques.

Avantages et inconvénients par rapport aux cellules monocristallines

Les cellules polycristallines offrent un coût inférieur et une bonne durabilité, mais elles présentent une efficacité énergétique moindre, une sensibilité accrue à la température et un aspect moins esthétique par rapport aux cellules monocristallines.

Avantages :

1. Coût : Les cellules polycristallines sont généralement moins chères à produire que les cellules monocristallines, en raison d’un processus de fabrication plus simple et moins de déchets de matériau.
2. Durabilité : Les cellules polycristallines ont une structure robuste qui les rend résistantes aux contraintes mécaniques et aux conditions environnementales difficiles.

Inconvénients :

1. Efficacité : Les cellules polycristallines ont une efficacité énergétique inférieure à celle des cellules monocristallines, généralement entre 15 et 18 %. Cela est dû à la structure cristalline moins ordonnée et aux limites de grain dans le matériau.
2. Sensibilité à la température : Les cellules polycristallines sont plus sensibles à la température que les cellules monocristallines, ce qui peut entraîner une diminution de leur efficacité dans des conditions de température élevée.
3. Esthétique : Les cellules polycristallines ont une apparence moins uniforme que les cellules monocristallines, avec une couleur bleu clair et une structure cristalline visible à la surface.

Comparaison avec les autres technologies de cellules photovoltaïques

Les cellules polycristallines présentent des caractéristiques distinctes par rapport à leurs concurrentes : hétérojonction, couches minces et multi-jonctions.

• Les cellules à hétérojonction combinent deux matériaux semi-conducteurs différents pour améliorer les performances et l’efficacité. Elles ont un rendement plus élevé que les cellules polycristallines, mais peuvent être plus coûteuses à fabriquer.
• Les cellules à couches minces sont plus légères et flexibles que les cellules polycristallines, mais elles ont généralement une efficacité plus faible. Elles sont également plus faciles à intégrer dans des applications architecturales.
• Les cellules multi-jonctions emploient plusieurs jonctions pour capter différentes longueurs d’onde de la lumière, offrant une très haute efficacité. Cependant, elles sont beaucoup plus coûteuses à produire et sont principalement utilisées dans des applications à haut rendement comme l’aérospatiale.

Les innovations techniques

Les panneaux bifaciaux, les cellules coupées, la technologie PERC et la Tiling Ribbon Technology peuvent être combinées avec des cellules polycristallines pour améliorer leur performance et leur rendement. Voici ce que chacune de ces technologies apporte aux cellules polycristallines :

1. Les panneaux bifaciaux permettent aux cellules polycristallines de capter la lumière solaire des deux côtés du panneau, augmentant ainsi la production d’énergie et l’efficacité globale du système.
2. Cellules coupées : Les cellules polycristallines peuvent être divisées en demi-cellules ou en quart de cellules, réduisant la résistance interne et les pertes par ombrage. Cela se traduit par une meilleure efficacité et une meilleure tolérance aux ombrages.
3. Technologie PERC (Passivated Emitter Rear Contact) : L’ajout d’une couche passivante à l’arrière des cellules polycristallines permet de réfléchir les photons non absorbés vers la cellule pour une nouvelle chance d’absorption. Cela augmente l’efficacité des cellules polycristallines.
4. Tiling Ribbon Technology : Cette technologie utilise des rubans conducteurs plats et sans soudure pour connecter les cellules polycristallines entre elles, réduisant les pertes d’efficacité dues à la soudure et augmentant la surface active des cellules. Les panneaux avec cette technologie peuvent bénéficier d’une efficacité accrue et d’une esthétique améliorée.

En combinant ces technologies avec des cellules polycristallines, il est possible d’optimiser leur performance, d’améliorer leur efficacité énergétique et de réduire les pertes. Cela conduit à une production d’énergie plus élevée et à des avantages économiques pour les utilisateurs de panneaux solaires polycristallins.