Matériaux : Les cellules photovoltaïques

1
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.
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.

Ene
f
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se

3
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
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.
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)
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.
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)
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.
Rendementdelacellule
Toujoursavecnotrecellulesolaire,nous
pouvonscalculerlerendementdelacellule.
∗
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%.

4
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