L'effet photovoltaïque à été découvert en 1839 par le physicien français Edmond Becquerel. L'effet photovoltaïque est la conversion de l'energie lumineuse en énergie électrique. Le mot "photovoltaïque" a été utilisé la première fois en 1890. Il est composé de deux parties : le préfixe "photo" (photos), dérivé du mot grec désignant lumière ou clarté et le suffixe "volt" relatif au physicien Allesandro Volta. Ainsi, photovoltaïque peut être littéralement traduit par électricité - lumière. C'est la production d'électricité à partir des rayons du soleil. 

Nous connaissons plus le photovoltaïque comme des cellules solaires. Les cellules photovoltaïques (pv) ont des tailles et des formes différentes. Les cellules pv appelées aussi photopiles sont connectées ensemble pour former un module photovoltaïque. Les modules peuvent être combinés et connectés ensemble pour former des champs photovoltaïques de tailles et de puissances de production différentes. Ces champs photovoltaïques sont les installations des particuliers qui revendent leur électricité à EDF ou les grandes installations de production de plusieurs mégawatts.

Le principe de conversion

En 1839, Edmond Becquerel découvre le processus de l'utilisation de l'ensoleillement pour poduire du courant électrique dans un matériau solide. Pour comprendre correctement ce processus, il faudra un siècle de recherche.

L'effet photovoltaïque est le processus physique de base par lequel une cellule PV convertit l'ensoleillement en électricité. Lorsque la lumière percute une cellule PV , elle peut être réfléchie, absorbée ou transmise. Seule la lumière absorbée génère l'électricité.

L'énergie absorbée de la lumière est transmise aux électrons des atomes de cellules PV. Les photons, grains élémentaires de la lumière, sont transmis aux électrons qui se libèrent de leur position normale autour des noyaux des atomes de silicium. Ce déplacement d'électrons forme un courant électrique.

Pour conduire ce courant électrique, il faut une force, une tension qui est fournie par un "champ électrique intégré", une propriété électrique spécifique des cellules PV. 

Pour induire ce champ électrique, deux couches de matériaux légèrement différents de semi-conducteurs sont placées en contact. L'une de ces couches est un semi-conducteur de "type-n" avec une abondance d'électrons, qui ont une charge électrique négative. L'autre couche est un semi-conducteur de "type-p" avec une abondance de "trous", qui ont une charge électrique positive.

A la jonction des deux couches de matériaux semi-conducteurs différents, il se crée un champ électrique, on l'appelle jontion p/n. Quand les deux couches de matériaux entrent en contact, les électrons excessifs (libérés) se déplacent du coté type_n (silicium dopé n) au coté du type-p (silicium dopé p). On a les charges négatives du coté type-n et les charges positives du coté type-p. Le déplacement des électrons et des trous crée un champ électrique à la surface de contact que nous appelons la jonction p/n. Le champ électrique fait se déplacer les électrons du semi-conducteur vers la surface négative, où ils deviennent disponibles pour le circuit électrique. En même temps, les trous se déplacent dans la direction opposée, vers la surface positive, où ils attendent les électrons entrants.

La cellule photovoltaïque constitue ainsi un générateur électrique élémentaire. Cette transformation directe de la lumière en énergie électrique s'effectue donc sans pièce mobile, sans fluide sous pression, sans élévation de température, sans pollution et ni production de déchets.

Selon leur matériau de base, les cellules photovoltaïques peuvent être divisées en trois groupes :

- cellules au silicium monocristallin

- cellules au silicium polycristallin

- cellules à couche mince (cellule amorphe au silicium et autres matériaux, tels que : CIS, CdTe)

Cellules au silicium monocristallin

Après plusieurs heures de refroidissement du silicium fondu ( 1 kg de silicium par heure), on obtient un lingot fait d’un cristal de silicium d’une pièce et de belle taille  (10 à 20 cm de diamètre et 1 mètre de long). Puis, on scie le lingot ainsi obtenu en fines tranches d’environ 300 à 400 micromètres. Ces cellules ont un rendement dépassant 15 % et atteignant 24 % en laboratoire.

Cellules au silicium polycristallin

Le lingot , refroidi plus rapidement ( 8 heures ), est constitué de plusieurs gros cristaux séparés par des «  joints de grain ». Le matériau, moins homogène que le silicium monocristallin, a de ce fait un rendement énergétique légèrement moins bon, ( 13 % dans le commerce et 18 % en laboratoire ) mais sa fabrication est plus facile avec une consommation d’énergie réduite et une fabrication plus rapide. Les lingots de silicium multicristallin doivent être eux aussi coupés en tranche de 200 à 400 micromètres. 

Cellules à couche mince

Le silicium amorphe est un matériau «  sans forme », c‘est à dire non cristallisé. Il absorbe beaucoup plus de lumière que le silicium cristallin. C'est un film très mince ( 1 micromètre ). Contrairement à la technique de sciage employée pour les matériaux précédents, on dépose directement cette fine couche mince de silicium sur le substratum en verre. Cette technique permet de déposer le film sur de plus grandes surfaces qui, de surcroît, peuvent être courbes ou souples. Ce matériau, expérimenté depuis 1974 et commercialisé depuis 1980, est utilisé essentiellement pour des utilisations de faible puissance comme les montres, les calculatrices…Son rendement est inférieur à 7 % dans le commerce mais il est moins cher.

D'autres types de cellules apparaissent sur le marché. Ce sont les cellules CIS ( Cuivre - Indium - Sélénium) et les cellules CdTe ( Tellurure de Cadmium)  qui n'utilisent pas de silicium.
 

Type de cellule	Rendement en laboratoire	Rendement en module
silicium monocristallin	24 %	13 - 17 %
silicium polycristallin	18 %	11 - 15 %
silicium amorphe	11 - 12 %	5 - 8 %