semis

Avec la raréfaction des ressources fossiles et la pollution qu’elles émettent, les
scientifiques et ingénieurs cherchent de nouvelles manières de produire de
l’énergie. L’énergie photovoltaïque (transformation de l’énergie solaire en
électricité) est porteuse de grands espoirs. Mais même si des particuliers
équipent leurs maisons en panneaux solaires, son coût freine encore sa
généralisation.
Matériaux : Les cellules
photovoltaïques
Comment fabriquer une cellule photovoltaïque ?
Comment relier les caractéristiques d’un matériau à sa
structure ?
Fonctionnement d’un panneau solaire
L’énergie solaire est une énergie propre
permettant de produire de l’électricité. Dans
un panneau solaire, les photons (particules
qui composent la lumière et transportent
l’énergie) sont transformés en électricité par
des cellules photovoltaïques. En général, une
cellule solaire est composée de silicium, qui
est un matériau semi‐conducteur.
Comprendre la théorie des bandes
Un atome de Silicium est composé d’un
noyau, et d’électrons qui « gravitent »
autour. Ces électrons « gravitent » selon des
couches bien précises.
Lorsqu’un photon est capté par un électron,
celui‐ci capte son énergie et change de
couche. Mais cette énergie qu’il capte doit
être suffisante pour passer sur une autre
couche, sinon rien ne se passe. Soit cet
électron passe la prochaine marche, soit il
reste sur sa première couche que l’on
nomme état fondamental. Les autres états
sont appelés états excités. Un électron
excité est un électron qui possède une
énergie potentielle supérieure au strict
nécessaire.
Dans la théorie des bandes, les électrons
n’ont la possibilité de prendre que des
valeurs d'énergie comprises dans certains
intervalles, lesquels sont séparés par des
« bandes » d'énergie interdites.
Ainsi, un matériau est conducteur lorsqu’il y
a continuité entre la bande de valence, et la
bande de conduction. Les électrons n’ont
pas besoin d’une certaine excitation pour
être conducteurs (c’est le cas des métaux
par exemple). Sinon, le matériau est dit
isolant.
Mais il existe le cas des matériaux semi‐
conducteurs, comme le silicium. Si la bande
interdite est suffisamment fine, alors avec
une excitation suffisante, l’électron peut
atteindre la bande de conduction et le
matériau devient conducteur.
Le dopage du silicium
Dans le cas du silicium, l’énergie solaire peut
permettre de le rendre conducteur par
agitation thermique.
Cependant les atomes de silicium se lient
entre eux dans un réseau cristallin pour
entrer dans un état stable, qui le rendent
moins conducteur.
1
En efffet, comme l’atome a quatre
q
électrrons Le dopage
d
se fait de d
deux maniè
ères
sur saa couche extterne, il les met
m en comm
mun différe
entes, nécesssitant chaccun un maté
ériel
avec les électronss des atomess voisins.
et une techniquee de pointe. Le dopage par
diffusion et le dopage paar implantation
ioniqu
ue.
La jon
nction PN
La juxxtaposition d’un
d
semi‐co
onducteur dopé
positivvement (P),, et d’un semi‐conductteur
dopé négativement (N) permeet d’obtenir une
jonction PN.
On observe
o
au niveau d
de la joncttion
l’appaarition d’unee zone de ch
harges d’espace,
dans laquelle
l
il n’y a pas de ccharges mobiles.
En efffet, à l’interfaace de ces deux couchess, un
champ électriquee se forme (à cause de
e la
différe
ence de charge)
c
et empêche les
Schém
matisation dees liaisons co
ovalentes de cinq
électrrons libres dee rejoindre lees « trous ».
atomees de silicium
m entre eux. En
n bleu les noyyaux
et en vert les électrrons.
Le do
opage va donc consister à remplaacer
certains atomes de silicium par des atomes
voisin
ns du tableaau périodiqu
ue qui va créer
soit des
d électronss en trop (caas du phosph
hore
P à caause de cinq électrons en périphérie) ou
des « trous » (cass du bore B à cause de trois
t
du
atom
mes en périp
phérie. La conductivité
c
semi‐‐conducteur est ainsi co
onsidérablem
ment
Schém
ma de la jon
nction PN, a
avec une pla
aque
augm
mentée du fait du dopagee.
négatiive au‐dessuss d’une plaq
que positive.. Le
champ
p électrique est représenté par la ba
ande
grise.
Lorsque le soleil frappe lees couches, les
ons se conveertissent dan
ns leur passsage
photo
en éle
ectrons/trou
us. Si cela see passe dan
ns le
électrique, les électrons se
Schém
matisation
d’une
p
plaque
do
opée champ
dépla
ceront
vers la couche n
négative, ett les
négattivement à dro
oite, et positivvement à gaucche.
trous vers la zone positive. Ceeci va provoq
quer
un dé
éséquilibre entre
e
les deeux couchess, le
champ électrique empêche lees charges de
e se
déplacer pour rétaablir l'équilib
bre.
Cellules solaires insstallés sur
n:
le toitt d’une maison
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Conception de la cellule solaire
Il suffit ainsi d’utiliser cette jonction pour
forcer les électrons à prendre un autre
passage pour rétablir l’équilibre. Lorsque
l’on relie la plaque P et N par un fil, celui‐ci
va être traversé par un courant. C’est ainsi
qu’est utilisée la jonction PN pour créer de
l’électricité à partir de l’énergie solaire
Puissance maximale de la cellule solaire
En utilisant les valeurs précédentes de
l’intensité et de la tension, nous pouvons
déterminer la puissance d’une cellule
solaire. En effet, d’après la relation :
∗
On construit ainsi le graphique P = f(U)
Composition d’un panneau solaire. On retrouve la
plaque N (bleu) sur la plaque P (rouge). On les
relie ensuite par un fil extérieur pour créer un
circuit électrique.
Graphique P = f(U)
Nous voyons cette fois‐ci que la courbe
forme une cloche. Nous déterminons ainsi la
puissance max de la cellule solaire (qui est ici
d’environ 0,13 W pour une cellule de 79
cm2). Cette cellule a donc un régime de
fonctionnement optimal pour une tension
donnée.
Récepteur ou générateur ?
Si nous traçons la caractéristique de
l’intensité en fonction de la tension aux
bornes d'une cellule, on observerait la
courbe ci‐dessous: une fonction affine sur un
intervalle défini mais un effondrement au‐
delà
d'une
certaine
intensité. Rendement de la cellule
Graphique I = f(U)
Toujours avec notre cellule solaire, nous
pouvons calculer le rendement de la cellule.
∗
Cette caractéristique est celle d’un
générateur sur un certain domaine. Ainsi,
contrairement à ce que l’on pense, la cellule
photovoltaïque n’est pas un récepteur
d’électricité mais un générateur.
Sachant que notre éclairement E était de
19000 Lux, nous pouvons en déduire que le
rendement de notre panneau solaire est de
1,29%.
Evidemment, notre cellule photovoltaïque a
un rendement particulièrement faible, car
nous avions à disposition une cellule de
faible qualité. Cependant globalement, les
panneaux solaires ont un rendement assez
faible, les meilleurs ayant un rendement
d’environ 23%.
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Conclusion :
De nouvelles alternatives à l’énergie fossile se sont fortement développées depuis
plusieurs années. Le panneau solaire permet une production d’énergie propre en utilisant le
réacteur nucléaire naturel géant qu’est le soleil. Cependant, son rendement est faible, et son
fonctionnement optimal est impossible, car il faudrait qu’il soit en permanence éclairé. Son
utilisation seule ne permettrait pas de convenir aux besoins de notre société. La recherche en
ingénierie et nanotechnologie qui aujourd’hui fait de grand progrès pourra probablement
trouver de nouvelles méthodes pour pallier à ces problèmes. L’année 2017 sera sûrement la
vraie année de la transition énergétique !
Installation de panneaux solaires
Article de David Moiraf et Andrea Fernandes (TSB), Février 2017
Sources :
‐ Texte « Les bandes de valence et de conduction »
‐ Texte « Le dopage du Silicium »
‐ Texte « Les technique de dopage »
‐ Vidéo « Fonctionnement de l’énergie solaire »
‐ Site : www.les‐energies‐renouvelables.eu
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