Cellule solaire

Une cellule solaire est une fine tranche de semi-conducteur où la lumière libère des électrons, qu'un champ électrique interne pousse vers les contacts pour former un courant, sans pièce mobile ni combustible. Les Bell Labs ont présenté la première cellule au silicium utilisable en 1954, et l'énergie solaire a fourni 8,7 % de l'électricité mondiale en 2025.

Ce que c’est

Une cellule solaire transforme directement la lumière en courant électrique, sans pièce mobile ni combustible. La plupart sont des tranches carrées de silicium un peu plus larges qu’une main. Chacune donne environ un demi-volt au soleil : on en relie donc des dizaines sous une vitre pour faire un panneau, comme celui de 36 cellules représenté sur la planche.

La date retenue est avril 1954 : les Bell Labs présentent alors une cellule au silicium qui convertit environ 6 % de la lumière solaire en électricité, assez pour alimenter de vrais appareils. Becquerel avait vu la lumière produire un courant dès 1839, mais les cellules au sélénium fabriquées à partir de 1883 restaient sous 1 %.

Comment ça marche

Les cellules sont sciées dans un monocristal de silicium tiré d’un bain fondu ; une plaquette mesure aujourd’hui environ 0,14 mm d’épaisseur.

Le silicium pur conduit mal le courant. Le dopage au phosphore, à l’état de traces, lui apporte des électrons en surplus (type n) ; une trace de bore crée au contraire des manques, appelés trous, qui se comportent comme des charges positives (type p). Une cellule classique part d’une plaquette dopée au bore dont on imprègne la face avant de phosphore, sur moins d’un millième de millimètre. Là où les deux zones se touchent, électrons et trous se neutralisent sur une bande étroite. Il y reste des charges fixes qui maintiennent un champ électrique permanent à travers cette jonction p–n.

Un photon assez énergique arrache un électron à sa liaison dans le cristal et laisse un trou à sa place. Près de la jonction, le champ envoie l’électron côté n et le trou côté p. Les électrons se rassemblent dans les doigts avant, parcourent le circuit extérieur, où ils allument une lampe ou chargent une batterie, puis reviennent par le contact arrière.

À vide, une cellule affiche environ 0,6 à 0,7 V, et environ 0,5 V quand elle débite. Cette tension varie peu avec l’éclairement, alors que le courant le suit : deux fois moins de lumière, à peu près deux fois moins de courant. En série, les tensions s’additionnent ; 36 cellules travaillent ainsi vers 17 V, de quoi charger une batterie de 12 V. En parallèle, ce sont les courants qui s’ajoutent. Une seule cellule à l’ombre freine toute sa chaîne, d’où les diodes de dérivation logées dans les panneaux.

Le silicium laisse passer sans s’en servir l’infrarouge au-delà d’environ 1,1 micromètre, et les photons trop énergiques perdent leur surplus en chaleur. En 1961, William Shockley et Hans-Joachim Queisser ont montré que ces pertes limitent une cellule à une seule jonction à environ un tiers de la lumière solaire. Le silicium subit en plus des pertes propres au cristal, qui ramènent sa limite à environ 29 % ; la meilleure cellule de laboratoire atteignait 28,1 % en 2026. La chaleur réduit aussi la production : une cellule au silicium classique perd environ 0,4 à 0,5 % de sa puissance par degré Celsius, surtout par baisse de tension.

Comment s’y prendre

Fabriquer des cellules relève de l’usine. Une petite installation de 12 V faite de panneaux achetés, avec des éléments compatibles et en suivant les notices des fabricants, reste en revanche à la portée d’un amateur soigneux.

Dimensionner le panneau. Quatre lampes LED de 5 W allumées 4 heures et une radio de 10 W pendant 2 heures consomment 100 wattheures (Wh) par jour. Un panneau fournit à peu près sa puissance nominale × le nombre d’heures d’ensoleillement maximal (l’énergie solaire du jour comptée en heures de plein soleil, au mois le plus sombre) × 0,7 pour la chaleur, la poussière et les câbles. Un panneau de 100 W avec 3 heures d’ensoleillement maximal donne environ 210 Wh : la marge est confortable.

Choisir la batterie. Prévoyez de un à trois jours couverts. Une batterie au plomb vit plus longtemps si on la vide rarement au-delà de la moitié. Une batterie lithium-fer-phosphate peut être utilisée presque entièrement, mais seulement avec son électronique de gestion et un régulateur réglé pour le lithium ; la plupart ne doivent pas être chargées sous 0 °C. Deux jours à 100 Wh, tirés d’une batterie au plomb de 12 V utilisée à moitié, demandent au moins 33 Ah : prenez 40 Ah.

Panneau, régulateur et batterie, avec le fusible sur le câble positif, contre la batterie.

Poser un régulateur de charge. Ne branchez jamais un panneau directement sur une batterie. Le régulateur dose la charge pour que la batterie ne soit jamais surchargée, puis la maintient pleine, et les appareils branchés sur sa sortie « utilisation » sont coupés avant qu’elle soit vide. Un régulateur simple, de type PWM, doit supporter au moins 1,25 fois le courant de court-circuit du panneau. Pour un modèle MPPT, comparez ses limites de tension, de courant et de puissance avec la fiche technique du panneau, en sachant que la tension à vide augmente par temps froid.

Fusible et câbles. Placez un fusible prévu pour le courant continu sur le câble positif, tout contre la batterie. Son calibre doit être inférieur à ce que supporte le câble et supérieur au plus fort courant normal, et il doit pouvoir couper le courant très élevé qu’une batterie débite dans un court-circuit. À 10 A, un panneau situé à 5 m (10 m de cuivre) perd environ 0,3 V dans un câble d’extérieur de 6 mm² ; un fil plus fin perd davantage.

Installer et entretenir. Orientez le panneau vers l’équateur, sans ombre au milieu de la journée, incliné à peu près à la latitude du lieu pour un usage toute l’année. Rincez la poussière à l’eau avec une brosse douce. Un onduleur peut convertir les 12 V en tension du secteur, aussi dangereuse que celle du réseau.

Mesurer une cellule. Au soleil, lisez la tension d’une petite cellule sur la position volts continus d’un multimètre. Passez ensuite en ampères continus, mettez le fil rouge dans la borne 10 A et touchez les bornes de la cellule : vous lisez son courant de court-circuit. Vérifiez d’abord que le courant indiqué sur la cellule reste très en dessous de la limite de 10 A du multimètre, et ne laissez les pointes que quelques secondes. À l’ombre, la tension bouge à peine, le courant chute. Remettez ensuite le fil rouge dans la borne des volts, et ne mesurez jamais ainsi le courant d’une batterie.

Sécurité. Un panneau produit une tension dès que la lumière l’atteint : couvrez-le pendant le câblage. Le courant continu peut entretenir un arc quand on débranche un connecteur en charge ; pour intervenir, couvrez le panneau, débranchez d’abord le panneau, la batterie en dernier, et rebranchez dans l’ordre inverse. Un court-circuit aux bornes d’une batterie fait fondre les outils et provoque des incendies, et le fusible n’empêche pas une clé posée en travers des deux bornes : outils isolés et cache-bornes. En charge, les batteries au plomb dégagent de l’hydrogène : aérez, pas d’étincelles, lunettes de protection. Sur un toit, harnais et point d’ancrage, ou faites appel à des professionnels. Tout ce qui touche au secteur, onduleurs compris, est l’affaire d’un électricien qualifié.

Histoire et évolution

En 1839, Edmond Becquerel, 19 ans, éclaire des électrodes recouvertes de chlorure d’argent plongées dans un acide et mesure un faible courant. En 1873, l’ingénieur anglais Willoughby Smith, qui teste des câbles télégraphiques sous-marins, remarque que le sélénium conduit mieux à la lumière ; en 1883, l’Américain Charles Fritts fabrique des cellules de sélénium sous une feuille d’or assez fine pour laisser passer le jour. En 1905, Albert Einstein explique que la lumière arrive par paquets dont l’énergie dépend de la couleur.

En 1940, Russell Ohl, aux Bell Labs, constate qu’un échantillon de silicium chargé de phosphore d’un côté et de bore de l’autre produit un courant à la lumière : c’est la première jonction p–n, avec un rendement d’environ 1 %. En 1953, son collègue Daryl Chapin cherche à alimenter du matériel téléphonique isolé et n’obtient que 0,5 % avec le sélénium. Le silicium dopé de Calvin Fuller et Gerald Pearson fait bien mieux, et la cellule présentée le 25 avril 1954 fait tourner une grande roue miniature.

Vanguard 1, 1958 : six petits panneaux de cellules solaires sur une sphère d’environ 16 cm de diamètre.

Les premières cellules au silicium coûtent bien trop cher pour un usage courant, et leur premier client régulier est l’espace. Vanguard 1, lancé en mars 1958, porte six petits panneaux de 18 cellules chacun : son émetteur sur piles se tait en juin 1958, celui alimenté par le soleil émet jusqu’en mai 1964. Avec la croissance des usines, le prix des modules tombe d’environ 132 dollars par watt en 1975 à 0,27 dollar en 2024 (en dollars de 2025). La plupart des cellules partent aujourd’hui de plaquettes dopées au phosphore, avec le bore en face avant. En 2025, les panneaux solaires ont produit 8,7 % de l’électricité mondiale, selon Ember (avril 2026).