La cellule photovoltaïque est composée d’un matériau semi-conducteur qui absorbe l’énergie lumineuse et la transforme directement en courant électrique.

Types de cellules

Généralement on distingue trois générations de cellules photovoltaïques en fonction des développements technologiques.

1ère génération

Les cellules de première génération sont basées sur une seule jonction p-n et utilisent généralement le silicium sous forme cristalline comme matériau semi-conducteur. La méthode de production basée sur les wafers de silicium est très énergivore et donc très chère. Elle nécessite par ailleurs un silicium d'une grande pureté. On différencie également les cellules à base de silicium monocristallin et polycristallin. Ces dernières ont un rendement inférieur par rapport aux premières, mais ont un coût de fabrication moins élevé.

2e génération

Les couches minces ("thin films") constituent la seconde génération de technologie photovoltaïque. Dans cette génération, on distingue le silicium amorphe (a-Si), le disélénium de cuivre indium (CIS), le tellurure de cadmium (CdTe), entre autres.

Dans le cas de couches minces, la couche de semi conducteur est directement déposée sur un substrat (par exemple du verre). La production de ce type de cellules est moins coûteux que la première génération puisqu'elle consomme moins de matériau semi-conducteur et ne nécessite pas de passer par l'étape de transformation du silicium en "wafers". Le problème des cellules de seconde génération est le rendement moindre de ce type de cellules (6-7% et 14% en labo) et la toxicité de certains éléments (cadmium) pour leur fabrication. Cependant, cette seconde génération a beaucoup d'avantages pour des marchés de niche comme les applications en modules flexibles, avec de faibles illuminations ou avec des températures élevées.

Le disélénium de cuivre Indium (CIS) qui est au stade de la production industrielle et offre un rendement de 10 à 12 % pour ses modules commerciaux ne présente pas les problèmes de toxicité du cadmium.
Les réductions de coût attendues à moyen terme pour cette technologie sont donc très prometteuses.

3e génération

La troisième génération vise à passer la limite maximale de rendement des cellules actuelles, qui est d'environ 30%. Plusieurs concepts sont envisagés pour atteindre cet objectif :

• superposition de multiples cellules (utilisant des bandes d'énergie différentes)
• cellules à concentration
• utilisation des photons à basse énergie qui ne sont habituellement pas absorbés par la cellule
• cellules à électrons chauds produisant plus de pairs électron/trou pour des énergies supérieures à la bande d'énergie
• conversion des photons pour ajuster le spectre de la lumière solaire aux caractéristiques du semi-conducteur.

Rendement des cellules

Le rendement d’une cellule est le ratio entre l’énergie lumineuse reçue à la surface de la cellule et l’énergie électrique produite  par cette même cellule.

Le rendement d’une cellule photovoltaïque serait d’environ 85% si chaque photon pouvait transférer toute son énergie à un électron. Cependant, ce n’est pas le cas vu que le transfert d’énergie peut se faire uniquement selon la bande d’énergie propre à chaque semi-conducteur. Ainsi, les photons avec une énergie inférieure à cette valeur type ne pourront participer à l’effet photovoltaïque et leur énergie sera convertie en chaleur. De plus, les photons avec plus d’énergie ne peuvent transmettre que l’énergie propre au semi-conducteur et tout excès est dès lors perdu. Dans les cellules actuelles, ces 2 effets limitent le rendement théorique des cellules à 50%.

Type	Rendement cellule (en labo)	Module (en labo)	Module (commercial)	Niveau de développement
1ère génération
Silicium monocristallin	24,70%	22,70%	12-20%	Production industrielle
Silicium polycristallin	20,30%	16,20%	11-15%	Production industrielle
2e génération
Silicium amorphe	13,40%	10,40%	5-9%	Production industrielle
Silicium cristallin en couche mince		9,40%	7%	Production industrielle
CIS	19,30%	13,50%	9-11 %	Production industrielle
CdTe	16,70%		6-9%	Prêt pour la production
3e génération
Cellule organique	5,70%			Au stade de la recherche
Cellule de Grätzel	11%	8,40%		Au stade de la recherche
Cellules multi-jonctions	39%*	25-30%**		Au stade de la recherche, production exclusivement pour applications spatiales

*sous concentration de 236 soleils
** Module triple jonction GaInP/AsGa/G/Ge
Source : Systèmes Solaires – hors série spécial recherche solaire – juillet 2006