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Matériaux: Les cellules
photovoltaïques
Comment fabriquer une cellule photovoltaïque?
Comment relier les caractéristiques d’un matériau à sa
structure?
Fonctionnementd’unpanneausolaire
L’énergiesolaireestuneénergiepropre
permettantdeproduiredel’électricité.Dans
unpanneausolaire,lesphotons(particules
quicomposentlalumièreettransportent
l’énergie)sonttransformésenélectricitépar
descellulesphotovoltaïques.Ennéral,une
cellulesolaireestcomposéedesilicium,qui
estunmatériausemiconducteur.
Comprendrelathéoriedesbandes
UnatomedeSiliciumestcomposéd’un
noyau,etd’électronsqui«gravitent»
autour.Cesélectrons«gravitent»selondes
couchesbienprécises.
Lorsqu’unphotonestcaptéparunélectron,
celuicicaptesonénergieetchangede
couche.Maiscetteénergiequ’ilcaptedoit
êtresuffisantepourpassersuruneautre
couche,sinonriennesepasse.Soitcet
électronpasselaprochainemarche,soitil
restesursapremièrecouchequel’on
nommeétatfondamental.Lesautresétats
sontappelésétatsexcités.Unélectron
excitéestunélectronquipossèdeune
énergiepotentiellesupérieureaustrict
nécessaire.
Danslathéoriedesbandes,lesélectrons
n’ontlapossibilitédeprendrequedes
valeursd'énergiecomprisesdanscertains
intervalles,lesquelssontséparéspardes
«bandes»d'énergieinterdites.
Ainsi,unmatériauestconducteurlorsqu’ily
acontinuitéentrelabandedevalence,etla
bandedeconduction.Lesélectronsn’ont
pasbesoind’unecertaineexcitationpour
êtreconducteurs(c’estlecasdesmétaux
parexemple).Sinon,lematériauestdit
isolant.
Maisilexistelecasdesmatériauxsemi
conducteurs,commelesilicium.Silabande
interditeestsuffisammentfine,alorsavec
uneexcitationsuffisante,l’électronpeut
atteindrelabandedeconductionetle
matériaudevientconducteur.
Ledopagedusilicium
Danslecasdusilicium,l’énergiesolairepeut
permettredelerendreconducteurpar
agitationthermique.
Cependantlesatomesdesiliciumselient
entreeuxdansunréseaucristallinpour
entrerdansunétatstable,quilerendent
moinsconducteur.
Aveclararéfactiondesressourcesfossilesetlapollutionqu’ellesémettent,les
scientifiquesetingénieurscherchentdenouvellesmanièresdeproduirede
l’énergie.L’énergiephotovoltaïque(transformationdel’énergiesolaireen
électricité)estporteusedegrandsespoirs.Maismêmesidesparticuliers
équipentleursmaisonsenpanneauxsolaires,soncoûtfreineencoresa
généralisation.
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3
Conceptiondelacellulesolaire
Ilsuffitainsid’utilisercettejonctionpour
forcerlesélectronsàprendreunautre
passagepourrétablirl’équilibre.Lorsque
l’onrelielaplaquePetNparunfil,celuici
vaêtretraverséparuncourant.C’estainsi
qu’estutiliséelajonctionPNpourcréerde
l’électricitéàpartirdel’énergiesolaire
Compositiond’unpanneausolaire.Onretrouvela
plaqueN(bleu)surlaplaqueP(rouge).Onles
relieensuiteparunfilextérieurpourcréerun
circuitélectrique.
Récepteurougénérateur?
Sinoustraçonslacaractéristiquede
l’intensitéenfonctiondelatensionaux
bornesd'unecellule,onobserveraitla
courbecidessous:unefonctionaffinesurun
intervalledéfinimaisuneffondrementau
delàd'unecertaineintensité.
GraphiqueI=f(U)
Cettecaractéristiqueestcelled’un
générateursuruncertaindomaine.Ainsi,
contrairementàcequel’onpense,lacellule
photovoltaïquen’estpasunrécepteur
d’électricitémaisungénérateur.
Puissancemaximaledelacellulesolaire
Enutilisantlesvaleursprécédentesde
l’intensitéetdelatension,nouspouvons
déterminerlapuissanced’unecellule
solaire.Eneffet,d’aprèslarelation:

OnconstruitainsilegraphiqueP=f(U)
GraphiqueP=f(U)
Nousvoyonscettefoisciquelacourbe
formeunecloche.Nousdéterminonsainsila
puissancemaxdelacellulesolaire(quiestici
d’environ0,13Wpourunecellulede79
cm2).Cettecelluleadoncunrégimede
fonctionnementoptimalpourunetension
donnée.
Rendementdelacellule
Toujoursavecnotrecellulesolaire,nous
pouvonscalculerlerendementdelacellule.

∗
SachantquenotreéclairementEétaitde
19000Lux,nouspouvonsendéduirequele
rendementdenotrepanneausolaireestde
1,29%.
Evidemment,notrecellulephotovoltaïquea
unrendementparticulièrementfaible,car
nousavionsàdispositionunecellulede
faiblequalité.Cependantglobalement,les
panneauxsolairesontunrendementassez
faible,lesmeilleursayantunrendement
d’environ23%.
4
Conclusion:
Denouvellesalternativesàl’énergiefossilesesontfortementdéveloppéesdepuis
plusieursannées.Lepanneausolairepermetuneproductiond’énergiepropreenutilisantle
réacteurnucléairenaturelgéantqu’estlesoleil.Cependant,sonrendementestfaible,etson
fonctionnementoptimalestimpossible,carilfaudraitqu’ilsoitenpermanenceéclairé.Son
utilisationseulenepermettraitpasdeconvenirauxbesoinsdenotresociété.Larechercheen
ingénierieetnanotechnologiequiaujourd’huifaitdegrandprogrèspourraprobablement
trouverdenouvellesméthodespourpallieràcesproblèmes.L’année2017serasûrementla
vraieannéedelatransitionénergétique!
Installationdepanneauxsolaires
ArticledeDavidMoirafetAndreaFernandes(TSB),Février2017
Sources:
‐Texte«Lesbandesdevalenceetdeconduction»
‐Texte«LedopageduSilicium»
‐Texte«Lestechniquededopage»
‐Vidéo«Fonctionnementdel’énergiesolaire»
‐Site:www.lesenergiesrenouvelables.eu
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