Introduction a l'énergie solaire

Introduction :

 Chaque jour, la terre reçoit sous forme d'énergie solaire l'équivalent de la consommation électrique de 6 milliards de personnes pendant 30 ans [12]. La technologie photovoltaïque permet de transformer cette énergie en électricité grâce à des panneaux solaires. Alors dans ce chapitre, nous avons présenté une généralité sur l’effet photovoltaïque, ainsi que, nous avons détaillé les principaux composants d’un système photovoltaïque.

1. Généralités sur le photovoltaïque :

Lorsque la lumière atteint une cellule solaire, une partie de l’énergie incidente est convertie directement en électricité sans aucun mouvement ou réaction produisant des déchets ou des pollutions. Cette propriété remarquable est au cœur de toute installation photovoltaïque.

1. Effet photovoltaïque :

Les cellules solaires actuellement convertissent directement la lumière en électricité en utilisant certaines propriétés des matériaux semi-conducteurs. Pour comprendre le fonctionnement d’une cellule, on se limitera ci-dessous à décrire le phénomène dans le cas du silicium et l’on décrira d’autres matériaux.

1. Définition et historique :

 L’effet photovoltaïque est un phénomène physique propre à certains matériaux appelés semi- conducteurs qui produisent de l’électricité lorsqu’ils sont exposés à la lumière. L'histoire de l'énergie photovoltaïque commence au XIXe siècle, le siècle de la révolution électrique. Alessandro Volta crée la pile électrique (1800), en 1827 le hongrois Ányos Jedlik réalise la première dynamo. En 1879, Thomas Edison présente sa première ampoule électrique à incandescence et construit le premier réseau électrique urbain en courant continu (1882). Voyant ici un marché porteur, l'industriel George Westinghouse avec l'aide de l'ingénieur Nikola Tesla, développe un autre réseau électrique en 1886, mais cette fois-ci en courant alternatif. La révolution électrique se fait aussi par la découverte de l'énergie photovoltaïque. En 1839, Antoine César Becquerel, a découvert le principe photovoltaïque. Le physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz l’a compris et a présenté l'effet photovoltaïque en 1887. Mais c'est Albert Einstein qui, le premier, a pu expliquer le principe photovoltaïque, Il a reçu le prix Nobel de physique en 1921. Malgré les nombreux avantages de cette énergie propre, le XXe siècle fait place à l'énergie thermique tirée du pétrole. Le pétrole est abondant, très bon marché, il est considéré comme une matière première stratégique, à l'origine de la géopolitique du pétrole. Ainsi, le solaire ne séduit plus, les projets et les découvertes se font plus rares. La technologie photovoltaïque se développe à petits pas. En 1954, les chercheurs américains : Chapin, Fuller, Pearson et Prince travaillant pour les laboratoires   « Bel Telephone » développent une cellule photovoltaïque à haut rendement de 6 % dans le but d'alimenter les téléphones situés dans des zones isolées. Cependant la technologie coûte encore trop chère pour se généraliser. Malgré son coût, la recherche spatiale dope la recherche dans le domaine photovoltaïque. Une cellule avec un rendement de 9% est mise au point 4 années plus tard et le premier satellite doté de cellules solaires, Vanguard 1 est envoyé dans l'espace le 17 mars 1958. En 1983, l'australien Hans Tholstrup parcourt 4 000 km avec "Quiet Achiever", la première voiture solaire. Il fonde en 1987 le "World Solar Challenge", la première course de voitures solaires. [13].

1. Effet photo-électrique :

L’effet photo-électrique est l’interaction du photon incident sur un électron lié de la cible, à qu’il communique toute son énergie. Le photon incident est donc totalement absorbé.

 Hypothèse d’Einstein : quelque soit la puissance de la lumière monochromatique de fréquence v reçu par un métal, chacun des électrons impulsés emprunte à cette radiation la même énergie W = h𝑣 appelée quantum d’énergie. L’énergie transportée par la radiation a une structure discontinue. Elle est repartie en grain d’énergie ou photon transportant chacun le même quantum d’énergie h𝑣. [18]

Energie cinétique d’extraction : pour qu’un électron soit impulsé d’un métal sous l’action d’une radiation convenable, il doit absorber une énergie rayonnante W au moins égale à un travail 𝑊0 appelé travail d’extraction. Si 𝑊 > 𝑊0, l’excédent d’énergie se retrouve dans l’énergie cinétique 𝐸𝑐 de l’électron impulsé. [18]

Ec = 1/2 mV2 = W − W0

Cette énergie cinétique est indépendante de l’énergie rayonnante ; elle dépend de v et 𝑣0.

Ec = h(𝑣 − 𝑣0)

Avec : h = 6,62.10−34 J/s

 Explication quantique (Einstein 1905) : en se basant sur l’idée de quantifier l’énergie de Planck, Einstein a suggéré que la quantification est une propriété fondamentale de l’énergie électromagnétique. Les collisions entre les quanta de lumière (photon) et les électrons du métal sont de type mécanique où l’énergie et la quantité de mouvement se transmettent et se conservent. [14]

2. Semi-conducteur :

a. Définition :

Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d’un isolant, mais pour lequel la probabilité qu’un électron puisse contribuer à un courant électrique, qui est suffisamment important. En autres termes, la conductivité électrique d’un semi-conducteur est intermédiaire entre celle des métaux et celles des isolants.

b. Différents types des matériaux :

En fonction des positions de la bande de valence BV et de la bande de conduction BC, on distingue trois types de matériaux : [7]

* Les matériaux conducteurs : La BV et la BC se chevauchent, une grande conductivité pratiquement indépendante de la température.

* Les matériaux semi-conducteurs : Le Gap entre la BV et la BC est assez faible (1.12eV pour Si). Une conductivité qui augmente fortement avec la température.

*  Les matériaux isolants : Le Gap entre la BV et la BC est trop important (>5eV). Une conductivité pratiquement nulle à toute température .

c. Semi conducteur extrinsèque :

Un semi-conducteur est dit extrinsèque lorsque le cristal n’est pas pollué (pur). Il s’agit de corps ou de composés sous forme cristalline où chaque atome du réseau se trouve entouré de 8 électrons, donc liaison très stable. On y trouve trois grandes familles de SC : [7]

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