Les cellules solaires sont des dispositifs qui convertissent l’énergie lumineuse en énergie électrique. Pour fonctionner correctement, les cellules doivent être recouvertes d’un matériau semi-conducteur capable d’absorber la lumière. Les cellules solaires au silicium sont des cellules solaires recouvertes de silicium et sont le type le plus couramment utilisé. Ces cellules sont connectées en série appelées modules, et les modules sont interconnectés pour former un réseau qui produit la tension souhaitée. Ceux-ci sont ensuite placés dans un récipient protecteur derrière des panneaux de verre qui dirigent la lumière du soleil vers les cellules.
Lorsque la lumière frappe le panneau solaire, les photons sont absorbés par le matériau semi-conducteur. Les électrons sont libérés et traversent le matériau produisant de l’électricité. Un réseau de cellules solaires en silicium convertit cette énergie en courant continu (CC). Dans un système intégré, l’électricité est ensuite injectée dans le réseau électrique à l’aide d’onduleurs. Les produits solaires autonomes stockent l’électricité dans des batteries.
Bien que le silicium soit un élément très courant, il est généralement lié à la silice. Le silicium pur doit être extrait de la silice, puis traité pour augmenter sa conductivité. Le silicium pur est un mauvais conducteur de l’électricité, mais lorsque certaines impuretés sont ajoutées, généralement des atomes de phosphore, il devient un excellent conducteur. Ce traitement consomme beaucoup d’énergie et est responsable du coût élevé des cellules solaires au silicium. Les cellules fabriquées de manière traditionnelle utilisent du silicium monocristallin sous forme massive qui est découpé en tranches.
Pour aider à atténuer les coûts, les scientifiques ont développé des cellules solaires en silicium à couches minces. Celles-ci n’utilisent qu’environ un pour cent du silicium qu’une cellule traditionnelle utiliserait, mais malheureusement, elles sont beaucoup moins efficaces. Des cellules constituées de plusieurs couches de film mince ont été développées qui sont aussi efficaces que les cellules traditionnelles plus chères, tout en conservant les avantages d’un coût inférieur, d’un poids plus léger et d’une plus grande flexibilité. Les cellules de silicium à couches minces polycristallines et amorphes sont des options supplémentaires à moindre coût.
Un autre défi pour les scientifiques est de trouver un moyen d’augmenter l’efficacité des cellules solaires au silicium. La lumière solaire a une large gamme de longueurs d’onde contenant des photons avec une large gamme d’énergies. Certains d’entre eux sont trop faibles ou trop forts pour former la paire électron-trou qui doit être capturée par le matériau semi-conducteur. La plupart des cellules ne sont efficaces qu’à 15 %, ce qui signifie qu’elles ne captent que 15 % de l’énergie électrique disponible dans la lumière du soleil qui traverse les panneaux.
Des travaux sont en cours dans le monde entier pour trouver des moyens d’augmenter l’efficacité et de réduire le coût des cellules solaires au silicium. Trouver des moyens d’augmenter l’efficacité des couches minces, réduisant ainsi considérablement le coût, est une priorité d’un projet de recherche financé par l’Union européenne. Une entreprise au Japon a mis au point des cellules solaires au silicium destinées à être utilisées dans de multiples produits et dont l’efficacité moyenne est de 25 %. Boeing-Spectrolab, une société américaine, a développé une cellule solaire au silicium à concentrateur qui a une efficacité de 40.7 %.
La recherche et le développement de Mare sont nécessaires avant que l’énergie solaire ne devienne une source d’énergie primaire, mais c’est un domaine qui reçoit une attention et un financement internationaux. À mesure que les coûts diminuent et que l’efficacité s’améliore, l’énergie solaire peut devenir beaucoup plus courante. Malgré ces défis, les cellules solaires au silicium sont déjà utilisées dans une variété de produits. Ceux-ci comprennent des articles de tous les jours tels que des calculatrices, des lampes de poche, des chargeurs de téléphone, des fontaines à eau et des systèmes d’eau chaude domestiques et commerciaux.