Matériaux : Les cellules photovoltaïques

 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 m
met en comm
mun différe
entes, nécesssitant chaccun un maté
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ue. La jon
nction PN La juxxtaposition d’un d
semi‐co
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au niveau d
de la joncttion l’appaarition d’unee zone de ch
harges d’espace, dans llaquelle 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
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et empêche les Schém
matisation dees liaisons co
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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
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hore P à caause de cinq électrons en périphérie) ou des «
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Lorsque le soleil frappe lees couches, les ons se conveertissent dan
ns leur passsage photo
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les deeux couchess, le champ électrique empêche lees charges de
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bre. Cellules solaires insstallés sur n : le toitt d’une maison
2 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) 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.
Graphique I = 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. Rendement de la cellule 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%. 3 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 4