Fonctionnement d’un panneau photovoltaïque

Le protocole pour fabriquer de l'énergie électrique est le fait de 3 phénomènes physiques:

• L'absorption de la lumière par le matériau,
• Le transfert de l'énergie lumineuse aux électrons
• Et la collecte des charges électriques.

L'absorption de la lumière

La lumière est constituée de photon, qui est en fait une particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique provoquant des ondes électromagnétiques.
De manière très courante, un rayon fait subir à un solide trois phénomènes visibles qui sont:

• La réflexion, ex: le reflet du soleil en mer
• La réfraction, ex: une paille dans un verre d'eau
• Et l'absorption, ex: les vêtements noirs qui retient toute la lumière

Il faut donc utilisée le phénomène d'absorption pour créer de l'énergie électrique. Mais il est indispensable que les panneaux remplissent les conditions suivantes:

• Limiter la réflexion pour éviter les pertes d'énergie, c'est pourquoi les panneaux sont toujours sombres, sachant que le noir est la couleur qui reflète le moins elle absorbe tous les rayons lumineux.
• Pour des raisons de sécurité, ils ne peuvent être exposées directement à la lumière, elles sont revêtues d'un matériau l'isolant de l'extérieur, sachant qu'il doit être le plus transparent et mate possible (pour respecter la première condition), est très résistant au choque. Les ingénieurs ont retenu généralement le verre.

               Le spectre de la lumière solaire est un spectre quasi continu, car le soleil émet un spectre continu mais certaine parties sont absorbées par notre environnent, provoquant un spectre à raie. Certaines cellules reposent sur différentes couches de matériaux. Leur rôle étant d'absorber une certaine longueur d'onde, afin d'éviter les pertes et maximiser les gains en énergies. Donc, le gain en énergie électrique dépend de la capacité de la cellule à absorber le plus large spectre possible, d'éviter au maximum la réflexion et aussi de l'intensité et la durée d'ensoleillement. C'est d'ailleurs quand le soleil est au zénith, que les panneaux fournissent le plus d'énergie électrique. On appelle watt-crête la puissance maximale que fournir une installation photovoltaïque à ce moment précis.

La conversion d'énergie des photons en électrons

                Les particules élémentaires qui vont produire le courant électrique, à partir la lumière, sont les électrons de charge 1,6.10-19 Coulomb. Les photons vont traverser les atomes des couches périphériques, ce qui libèrent les électrons de l'attraction électrostatique (et gravitationnelle) du noyau de l'atome. La relation de l'énergie d'un photon d'un certain rayonnement est simple puisqu'elle est proportionnelle à la fréquence du rayonnement utilisée. La constante universelle qui lie deux grandeurs est « h », qui est la constante de Planck. La constante de Planck a pour unité la fraction de l’énergie sur un temps, c’est-à-dire le Joule-seconde (J.s). Sa valeur, dans le système international d'unités, est : h = 6,6261.10-34 J.s. La formule de la relation est donc E = “h • f”. Selon Albert Einstein, l'effet photoélectrique est donc l'émission d'électron par un métal subissant des radiations lumineuses. Ce qui aboutit à la possibilité des électrons libérés de produire un courant électrique.

La récupération des charges

Les semi-conducteurs

Définition de la conductivité

         Ce qui définit la conductivité est la capacité d'un corps à conduire un courant électrique lorsqu'une tension lui est appliquée. Il en résulte 3 types de matériaux :
Les isolants, comme le verre, le bois, qui ne laisse pas passer les électrons.
Les conducteurs, qui laisse passer les électrons (ce sont principalement des métaux : cuivre, or, …).

        Les semi-conducteurs, dont la conductance varie en fonction de facteurs, par exemple le silicium.

Les semi-conducteurs

           Un matériau semi-conducteur est un matériau à l'état solide ou liquide, qui conduit l'électricité à température ambiante, mais moins aisément qu'un conducteur. Si la température baisse, les semi-conducteurs baissent en conductance pour devenir isolant. Au contraire, les températures hautes favorisent la conductance, pouvant croître jusqu'à devenir comparable aux métaux.

          Cela s'explique par une croissance du nombre des électrons de conduction, qui transportent le courant électriques. Dans un semi-conducteur pur tel que le silicium (le plus fréquemment utilisé), les électrons périphériques d'un atome sont mis en commun avec les atomes voisins pour établir des liaisons covalentes qui assurent la cohésion du cristal. Ces électrons périphériques (électrons de la couche externe), ne sont pas libres de transporter le courant électrique. Pour produire des électrons de conduction, on expose à la température ou à la lumière les électrons périphériques, afin de rompre les liaisons covalentes : les électrons sont alors mobiles.

         Les défauts ainsi créés, appelés « trous » ou « lacunes », participent au flux électrique. Ces trous sont porteurs d'électricité positive et expliquent l'augmentation de la conductivité électrique des semi-conducteurs avec la température.
          Les cellules sont constituées de matériaux semi-conducteurs, le silicium est le plus employé. Même si l'arséniure de gallium offre les meilleures performances, il reste beaucoup plus onéreux.

Le dopage
          Dans un semi-conducteur pur le nombre de porteurs étant faible à température ordinaire, la conductivité est médiocre. Le silicium est traité d'une certaine manière, on dit dopé, cette technique permet au silicium de jouer le rôle d'une diode, c'est-à-dire que les électrons ne pourront "passer" que dans un unique sens.

           La technique de dopage d'un semi-conducteur consiste à lui ajouter des impuretés, c'est-à-dire des éléments ayant un nombre différent d'électrons de valence. Les électrons porteurs de charge, générés par la lumière du soleil, sont partiellement perdus dans le volume du silicium à cause de la présence d'impuretés résiduelles (atomes de fer, titane…). Les chercheurs développent donc des procédés permettant de piéger ces atomes dans des zones inactives.

• L'ajout de phosphore (5 électrons de valence - (K)2 (L)8 (M)5) au silicium (4 électrons de valence - (K)2 (L)8 (M)4) se traduit par un excès d'électrons dans le réseau : cette association forme alors un semi-conducteur de type N (conduction assurée par des charges négatives).
• L’ajout d'aluminium (3 électrons de valence - (K)2 (L)8 (M)3) au silicium se traduit par un défaut d'électrons formant des trous dans le réseau : il s'agit alors d'un semi-conducteur de type P (conduction assurée par des charges positives).

        Le dopage est un moyen d'augmenter la conductivité électrique du corps. Les atomes du matériau de dopage, ou dopant (donneurs ou accepteurs d'électrons), et ceux de l'hôte ont un nombre différent d'électrons périphériques. Le dopage produit ainsi des particules électriques chargées positivement (type P) ou négativement (type N).
Dans le silicium de type N, des atomes de phosphore (P) à cinq électrons périphériques remplacent des atomes de silicium : ils offrent donc des électrons (des charges négatives) supplémentaires (un par atome de phosphore).
Dans le silicium de type P, des atomes d'aluminium (Al) avec trois électrons périphériques entraînent un défaut d'électrons (création de charges positives) et engendrent la formation de trous (un par atome d'aluminium). Les électrons en excès ou les trous conduisent l'électricité.

Lorsque des zones de semi-conducteurs de type P et de type N sont adjacentes, elles forment une diode ; la zone de contact est appelée jonction P-N.

La photopile est donc composée de matériaux semi-conducteurs dopés P (manque d'électrons) et N (excès d'électrons) dont la jonction de type P-N permet aux électrons excédentaires de la zone N de traverser la jonction et d'occuper les trous de la zone P. Ainsi, lorsque la lumière frappe la surface (dopée N) d'une cellule photovoltaïque, les photons constituant cette lumière communiquent leur énergie aux atomes du matériau en libérant les électrons des atomes qui génèrent ainsi des charges N (les électrons) et des charges P (les trous).
Or le déplacement d'électrons, créé par l'énergie des photons, est synonyme de production d'électricité. Une tension se crée alors en présence de lumière aux bornes de la cellule. Si l'on ferme le circuit à l'aide de n'importe quel dipôle telle une lampe, le courant circule dans le circuit. Il est important de noter que la tension est presque constante tandis que l'intensité varie proportionnellement à la quantité de lumière reçue.

Structure des panneaux