Performance et efficacité de l’énergie solaire

 

L’efficacité de conversion d’une cellule photovoltaïque (PV), ou cellule solaire, est la proportion d’énergie solaire convertie en énergie utilisable par un dispositif photovoltaïque. L’amélioration de cette efficacité de conversion est un objectif primordial de la recherche et contribue à la compétitivité-coût des technologies photovoltaïques par rapport aux sources d’énergie conventionnelles.

Facteurs affectant l’efficacité de la conversion

Une cellule photovoltaïque ne convertit pas toute la lumière du soleil qui l’atteint en énergie. La majorité a été perdue. L’incapacité d’une cellule solaire à convertir la lumière du soleil qu’elle reçoit est limitée par une variété de problèmes de conception. En concevant en tenant compte de ces considérations, une plus grande efficacité peut être atteinte.

• La lumière est constituée de photons ou de paquets d’énergie avec un large spectre de longueurs d’onde et d’intensité. Les longueurs d’onde de la lumière du soleil qui atteint la surface de la terre s’étendent de l’ultraviolet au visible en passant par l’infrarouge. Certains photons sont réfléchis et d’autres sont transmis lorsque la lumière atteint la surface d’une cellule solaire. Certains photons absorbés ont leur énergie convertie en chaleur. Les autres ont suffisamment d’énergie pour libérer les électrons de leurs liaisons atomiques afin de générer des porteurs de charge et du courant électrique.
• Recombinaison: Pour que le courant électrique circule dans un semi-conducteur, un « porteur de charge » comme un électron chargé négativement doit se déplacer à travers le matériau. Un trou, qui indique l’absence d’un électron dans une substance et fonctionne comme un porteur de charge positive, est un autre type de porteur de charge. Lorsqu’un électron trouve un trou, il est possible pour les électrons de se recombiner et, par conséquent, d’annuler leurs contributions au courant électrique. La recombinaison directe, qui se produit lorsque des électrons et des trous générés par la lumière entrent en collision, se combinent et émettent un photon, inverse le processus par lequel une cellule solaire génère de l’énergie. C’est l’une des principales variables qui limitent l’efficacité. Les électrons ou les trous subissent une recombinaison indirecte lorsqu’ils frappent une impureté, un défaut cristallin ou une interface, ce qui leur permet de se recombiner plus facilement et de libérer leur énergie sous forme de chaleur.
• Température: Les cellules solaires fonctionnent bien à basse température. Des températures plus élevées entraînent une modification des caractéristiques des semi-conducteurs, ce qui entraîne une augmentation mineure du courant mais une baisse significative de la tension. Les augmentations de température extrêmes peuvent potentiellement endommager la cellule et d’autres composants du module, ce qui réduit la durée de vie. En raison du fait que la majorité de la lumière du soleil qui frappe les cellules solaires est convertie en chaleur, une bonne gestion thermique augmente à la fois l’efficacité et la durée de vie.
• Réflexion: L’efficacité d’une cellule peut être améliorée en limitant la quantité de lumière réfléchie loin de sa surface. Le silicium non traité, par exemple, réfléchit plus de 30 % de la lumière incidente. Les revêtements antireflets et les surfaces texturées aident à minimiser la réflexion. Une cellule haute performance apparaît noire ou bleu foncé.

Détermination de l’efficacité de conversion

Les chercheurs évaluent l’efficacité d’un appareil photovoltaïque (PV) pour estimer la quantité d’énergie qu’il va générer. L’électricité est le produit de la tension et du courant. Les relations courant-tension sont utilisées pour quantifier les propriétés électriques des dispositifs photovoltaïques. Si une résistance de « charge » spécifique est appliquée aux bornes d’une cellule ou d’un module, le courant et la tension résultants s’ajusteront selon la loi d’Ohm (le courant traversant un conducteur entre deux points est directement proportionnel à la différence de potentiel entre les deux points). L’efficacité est déterminée en exposant la cellule à un niveau de lumière constant et standard tout en maintenant la température de la cellule à un niveau constant, puis en mesurant le courant et la tension produits pour diverses résistances de charge.