Comprendre le principe photovoltaïque

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A l’exception du nucléaire et de certaines formes de géothermie, le soleil est à l’origine de toutes les autres formes d’énergie disponible sur terre : c’est l’énergie qui nourrit et qui circule dans l’ensemble de l’écosystème terrestre.

Même le vent et les marées sont dus à son action. Alors, c’est dire ce qu’il peut faire pour nous !

L’effet photovoltaïque, c’est à dire produire directement de l’électricité à partir de la lumière du soleil ne peut se faire qu’avec un photogénérateur, qu’on appelle aussi photopile ou cellule solaire.

C’est dans ce « réacteur » que va s’opérer le transfert entre lumière et énergie.

Energie lumineuse et conversion photovoltaïque

Le mot «photovoltaïque » vient du grec « photos » qui signifie lumière et le mot « volta » du nom du physicien italien qui, en 1800, découvrit la pile électrique.

L’énergie photovoltaïque est la variation de la conductivité d’un matériau sous l’effet de la lumière.

Elle met en jeu trois phénomènes physiques, intimement liés et simultanés :

  • L’absorption de la lumière dans le matériau.
  • Le transfert d’énergie des photons aux charges électriques.
  • La collecte des charges électriques.

L’absorption de la lumière dans le matériau

Un faisceau lumineux est un déplacement de petits corps porteurs d’énergie. On les appelle aussi photons.

Pour que ces photons puissent circuler dans un matériau, il leurs faut un support, une onde électromagnétique.

Comme la lumière du rayonnement solaire est la combinaison de plusieurs couleurs de lumières, donc de plusieurs ondes électromagnétiques, on parle alors de longueur d’onde.

Ainsi, chaque photon porte une quantité d’énergie directement liée à sa longueur d’onde.

Le transfert d’énergie des photons aux charges électriques

Chacun sait que : « rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ».

Pour réceptionner ces photons on a inventé la photopile, une cellule capable de sélectionner les longueurs d’onde des photons bombardés par le soleil sur sa surface, et capable de transformer cette énergie, en énergie électrique via des panneaux solaires.

La collecte des charges électriques

On sait qu’un courant électrique est une circulation d’électrons.

Pour que chaque photon puisse transférer la quantité d’énergie qu’il porte, il faut que le matériau qui reçoive cette lumière soit semi-conducteur, une situation intermédiaire entre l’isolant, où les électrons ne peuvent pas circuler, et le conducteur, où les électrons sont totalement libres de circuler.

Quand la lumière pénètre dans un semi-conducteur, ses photons apportent l’énergie permettant aux électrons de se déplacer et ainsi créer un courant électrique.

Anatomie d’un photogénérateur

Le semi-conducteur le plus utilisé et disponible en grande quantité sur la Terre, est le silicium (Si), un composé de la silice du sable ou des silicates des roches.

C’est ce même silicium qui compose les circuits intégrés, utilisés massivement dans l’électronique.

Un photogénérateur, est donc physiquement une tranche de silicium que l’on a pris en sandwich entre deux électrodes métalliques (+) et (-) pour collecter le courant électrique produit.

Mais pour « attirer » ces électrons vers les électrodes, il faut une force interne. On a trouvé cette force grâce à un dopage des électrodes :

  • Dopage de type p sur une face, par adjonction d’atomes de Bore (B), contenant moins d’électrons périphériques par atome que le silicium.
  • Dopage de type n sur l’autre face, par adjonction d’atomes de Phosphore (P), contenant plus d’électrons périphériques par atome que le silicium.

On obtient ainsi entre les deux une « jonction » possédant un champ électrique interne pour entraîner vers le circuit extérieur les charges électriques libérées.

Une cellule photovoltaïque est un semi-conducteur en siliciumUne cellule photovoltaïque est un semi-conducteur en siliciumUne cellule photovoltaïque est un semi-conducteur en silicium

En conclusion

La fabrication d’une énergie photovoltaïque se fait grâce à une photopile en silicium.

En associant plusieurs photopiles on va créer un panneau solaire, ceux-là mêmes que nous connaissons aujourd’hui sur les toits des habitations.


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