| L'EFFET PHOTOVOLTAIQUE
L'effet photovoltaïque, transformation de l'énergie solaire("photons") en énergie électrique ("volt") a été découvert en 1839 par le physicien A. Becquerel. La lumière se compose de photons. Ceux-ci peuvent pénétrer dans certaines matières, et même passer au travers. Plus généralement, un rayon lumineux qui arrive sur un solide peut subir trois événements optiques :
• La réflexion : la lumière est renvoyée par la surface de l'objet
• La transmission : la lumière traverse l'objet
• L'absorption : la lumière pénètre dans l'objet et n'en ressort pas, l'énergie est restituée sous une autre forme. Dans un matériau photovoltaïque, une partie du flux lumineux absorbé sera restitué sous forme d'énergie électrique. Il faut donc au départ que le matériau ait la capacité d'absorber la lumière visible, puisque c'est ce que l'on cherche à convertir : lumière du soleil ou des autres sources artificielles.
Comment l'énergie lumineuse est-elle convertie en électricité ?
Les charges élémentaires qui vont produire le courant électrique sous illumination sont des électrons, charges négatives élémentaires contenus dans la matière semi-conductrice. Tout solide est en effet constitué d'atomes qui comprennent chacun un noyau et un ensemble d'électrons gravitant autour.
Les photons vont absorber leur énergie aux électrons périphériques, ce qui leur permet de se libérer de l'attraction de leur noyau. Ces électrons libérés sont susceptibles de produire un courant électrique si on les attire ensuite vers l'extérieur.
Pour que les charges libérées par l'illumination soient génératrices d'énergie, il faut qu'elles circulent. Il faut donc les attirer hors du matériau semi-conducteur dans un circuit électrique.
Cette extraction des charges est réalisée au sein d'une jonction créée volontairement dans le semi-conducteur. Le but est d'engendrer un champ électrique à l'intérieur du matériau, qui va entraîner les charges négatives d'un côté et les charges positives de l'autre côté. C'est possible grâce au dopage du semi-conducteur.
La jonction d'une photopile au silicium est constituée d'une partie dopée au phosphore( P), dite de type n (pole -), accolée à une partie dopée au bore( B ), dite de type p (pole +). C'est à la frontière de ces deux parties que se crée un champ électrique pour séparer les charges positives et négatives
LES CELLULES PHOTOVOLTAIQUES
Une cellule photovoltaïque est assimilable à une diode photo-sensible, son fonctionnement est basé sur les propriétés des matériaux semi-conducteurs.
Elle permet la conversion directe de l'énergie lumineuse en énergie électrique.
Une cellule est constituée de deux couches minces d'un semi-conducteur. Ces deux couches sont dopées différemment :
• Pour la couche N , apport d'électrons périphériques
• Pour la couche P , déficit d'électrons.
Ces deux couches présentent ainsi une différence de potentiel. L'énergie des photons lumineux captés par les électrons périphériques (couche N) leur permet de franchir la barrière de potentiel et d'engendrer un courant électrique continu. Pour effectuer la collecte de ce courant, des électrodes sont déposées par sérigraphie sur les deux couches de semi-conducteur. L'électrode supérieure est une grille permettant le passage des rayons lumineux. Une couche anti-reflet est ensuite déposée sur cette électrode afin d'accroître la quantité de lumière absorbée.
Technologies de cellules solaires
Le matériau le plus répandu dans les photopiles ou cellules solaires est le silicium, semi-conducteur de type IV. Il est dit tétravalent, cela signifie qu'un atome de silicium peut se lier avec quatre autres atomes de même nature.
On utilise également l'arséniure de gallium et des couches minces comme de CdTe (tellurure de cadmium) et le CIS (cuivre-indium-disélénium) et encore le CIGS.
Il existe plusieurs types de cellules solaires :
Les cellules monocristallines
Ce sont les premières photopiles élaborées à partir d'un bloc de silicium cristallisé en un seul cristal
Elles se présentent sous forme de plaquettes rondes, carrées ou pseudo-carrées.
Leur rendement est de 12 à 16%. Néanmoins, elles présentent deux inconvénients :
• Leur prix élevé
• Une durée d'amortissement de l'investissement en énergie élevée
Les cellules polycristallines
Elles sont élaborées à partir d'un bloc de silicium cristallisé en plusieurs cristaux dont les orientations sont différentes. Leur rendement est de l'ordre de 11 à 13% (cf. tableau1) mais elles engendrent un coût de production moins élevé que les cellules monocristallines.
La grande différence entre les cellules polycristallines et monocristallines réside dans leur sensibilité à la lumière. En effet, les panneaux solaires monocristallins fonctionneront dans des faibles conditions d'ensoleillement , en l'occurrence par temps nuageux et couvert, alors que, dans ce cas, les panneaux solaires polycristallins ne délivreront pas de courant.
Par ailleurs, les panneaux solaires polycristallins ne supportent pas d'être masqués, même partiellement(à l'ombre par exemple). Les cellules photovoltaïques étant raccordées en série, la moindre obturation stoppera toute production d'énergie. Les panneaux solaires monocristallins n'ont pas ce problème. Masqué par le branchage d'un arbre (c'est souvent le cas pour un camping-car), le panneau solaire monocristallin continuera à produire de l'énergie.
Les cellules amorphes
Ces cellules sont composées d'un support en verre ou en matière synthétique sur lequel est disposé une fine couche de silicium (l'organisation des atomes n'est plus régulière comme dans un cristal). Leur rendement est de l'ordre de 5 à 10%, plus bas que celui des cellules cristallines mais le courant produit est relativement bon marché.
Elles sont appliquées dans les petits produits de consommation : montres, calculatrices.mais peu utilisées dans le cadre des installations solaires.
Cependant, elles ont l'avantage de mieux réagir à la lumière diffuse et à la lumière fluorescente et sont donc plus performantes à une température élevée. |
