Les Cellules Photovoltaïques

I. l’énergie solaire photovoltaïque

L’énergie solaire photovoltaïque est une forme d’énergie renouvelable. Elle permet de produire de l’électricité par transformation d’une partie du rayonnement solaire grâce à une cellule photovoltaïque.

Le rendement d’une cellule photovoltaïque est faible : inférieur à 20%

I.1. Cellules, panneaux et champs photovoltaïques.

La cellule photovoltaïque est l’unité de base qui permet de convertir l’énergie lumineuse en énergie électrique.

Un panneau photovoltaïque est formé d’un assemblage de cellules photovoltaïques.

Parfois, les panneaux sont aussi appelés modules photovoltaïques.

Lorsqu’on regroupe plusieurs panneaux sur un même site, on obtient un champ photovoltaïque.

I.2 . Puissance lumineuse et éclairement

L’éclairement caractérise la puissance lumineuse reçue par unité de surface. Il s’exprime en W/m². La grandeur associée à l’éclairement est notée G

Parfois, cette grandeur est aussi appelée irradiance.

II. L’effet photovoltaïque

II.1. Historique et principe

Le principe de l'effet photoélectrique (transformation directe d'énergie portée par la lumière en électricité) a été appliqué dès 1839 par Antoine Becquerel qui a noté qu'une chaîne d'éléments conducteurs d'électricité donnait naissance à un courant électrique spontané quand elle était éclairée. Plus tard, le sélénium puis le silicium (qui a finalement pour des raisons de coût supplanté le cadmium-tellure ou le cadmium-indium-sélénium également testés) se sont montrés aptes à la production des premières cellules photovoltaïques (posemètres pour la photographie dès 1914, puis 40 ans plus tard (en 1954) pour une production électrique. La recherche porte également aujourd’hui sur des polymères et matériaux organiques susceptibles (éventuellement souples) qui pourraient remplacer le silicium.

Illustration de l’effet photoélectrique

D’après Einstein, il s’agit dans ce cas d’un transfert d’énergie des photons incidents (les « grains de lumière ») absorbés par la matière vers un ou plusieurs électrons de la périphérie des atomes du matériau. Les électrons sont alors libérés de l’attraction du noyau de l’atome : ils ont assez d'énergie pour pouvoir être accélérés par un champ électrique, ce qui engendre un courant électrique.

L’énergie des photoélectrons dépend notamment de la fréquence de l’onde électromagnétique incidente car E = h. ν où h est la constante de Planck et la fréquence de l’onde (en Hz). Typiquement, pour de la lumière visible, E = 1 eV

Le nombre d’électrons émis (le courant) est proportionnel à l’intensité de la source électromagnétique, par exemple l’ensoleillement, comme on le constatera plus loin avec les cellules solaires.

II.2. Les semi-conducteurs

Ces matériaux ont une conductivité électrique intermédiaire entre les isolants et les métaux.

Dans un semi-conducteur un courant électrique est favorisé par deux types de porteurs: les électrons et les trous.

Un semi-conducteur est un solide cristallin dont les propriétés de conduction électrique sont déterminées par deux bandes d'énergie particulières : d'une part, la bande de valence, qui correspond aux électrons impliqués dans les liaisons covalentes ; d'autre part, la bande de conduction, comprenant les électrons dans un état excité, qui peuvent se déplacer dans le cristal.

Ces deux bandes sont séparées par un gap, une bande interdite que les électrons ne peuvent franchir que grâce à une excitation extérieure (par exemple, l'absorption d'un photon). La bande interdite correspond à une barrière d'énergie, dont l'ordre de grandeur est l’électronvolt (eV).

II.3 Le dopage

Le dopage d'un matériau consiste à introduire dans sa matrice des atomes d'un autre matériau ;

Ces atomes vont se substituer à certains atomes initiaux et ainsi introduire davantage d'électrons ou de trous. Les atomes de matériau dopant sont également appelés impuretés, et sont en phase diluée : leur concentration reste négligeable devant celle des atomes du matériau initial.

Dans un semi-conducteur intrinsèque, ou pur, il n'y a aucun atome dopant. Tous les électrons présents dans la bande de conduction proviennent donc de la bande de valence. Il y a donc autant d'électrons que de trous : n = p = ni ; ni est la concentration intrinsèque. Tout dopage sert à modifier cet équilibre entre les électrons et les trous, pour favoriser la conduction électrique par l'un des deux types de porteurs.

Il existe deux types de dopage :

• type N : consiste à produire un excès d'électrons qui sont négativement chargés

Exemple d’un dopage de type N : le phosphore possède un électron de plus que le silicium

• type P : consiste à produire une carence en électrons, donc un excès de trous, considérés comme positivement chargés.

Exemple d’un dopage de type P : le bore possède un électron de moins que le silicium

III. La cellule solaire photovoltaïque

III.1. Fonctionnement photovoltaïque

Les cellules photovoltaïques sont composées de plusieurs couches.

La couche

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