La technologie photovoltaïque est une solution prometteuse pour réduire la dépendance aux combustibles fossiles et atténuer les impacts du changement climatique. Face aux inquiétudes majeures sur les modifications climatiques et l’effet des gaz à serre sur la couche d’ozone, elle se présente comme une alternative écologique et efficace. Se tourner vers une telle technologie est donc essentiel.
La technologie photovoltaïque met en avant l’utilisation des panneaux solaires photovoltaïques.
Ces équipements produisent de l’électricité grâce à l’effet photovoltaïque.
Actuellement, nous consommons toujours des énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon), dont le stockage s’est effectué durant des millions d’années. L’utilisation de ces ressources fossiles génère pourtant d’importantes quantités de dioxyde de carbone (CO2), première source d’inconvénients majeurs pour la planète.
Il est crucial de garder à l’esprit la disparité entre les vitesses de production et de consommation de ces ressources. En effet, c’est cette disparité qui entraîne une augmentation rapide de la quantité de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, puis dans les océans. Selon les rapports, le cycle pour ce dernier cas est de l’ordre de 10 siècles.
Il faut savoir qu’un surplus de dioxyde de carbone par rapport à l’équilibre « calco-carbonique » entraîne la mise en solution du carbonate de calcium. Il s’agit d’un composant essentiel des coraux et des carapaces de crustacés. Suite à ce phénomène, on réalise alors que les conséquences qui en découlent ne seront pas anodines.
La réaction générale correspondante s’écrit simplement :
CO2 (g) + CaCO3 (s) + H2O D 2 HCO3 ˉ + Ca2+ (g) : gaz ; (s) : solide
De ce fait, un excès de CO2 favorisera la transformation des éléments de gauche vers la droite. Malheureusement, c’est pourtant l’inverse qui se produit actuellement. En effet, le dioxyde de carbone (qui est acide) a la capacité de libérer le carbonate (une base) du solide où il est engagé.
Pour se libérer des énergies issues des combustibles fossiles, il est nécessaire de se tourner vers le concept d’énergie « renouvelable ».
Pour moins dépendre des énergies fossiles, se tourner vers l’énergie solaire semble être la meilleure solution. Il faut savoir que le soleil est un véritable réservoir inépuisable, étant donné qu’il est à l’origine de divers types de phénomènes.
Voici quelques exemples :
Mis à part ces phénomènes, il faut savoir que lorsqu’un semi-conducteur s’expose au rayonnement solaire, il entraîne la séparation des charges électriques. Cela génère ainsi un courant électrique continu qui peut être exploité pour la consommation.
La première observation d’un photo courant remonte à 1839, lorsque E. Becquerel a réalisé des expériences en utilisant une électrode en platine et une autre en cuivre oxydé plongées dans une solution conductrice acide.
Plus tard, au 19e siècle, vers 1877, WG Adams et RE Day, ont découvert les propriétés semi-conductrices du sélénium. Cependant, les avancées significatives dans le domaine de la technologie photovoltaïque n’ont eu lieu qu’au 20e siècle.
C’est en 1905 qu’Einstein a proposé une interprétation théorique de l’effet photoélectrique. Les applications pratiques ne sont toutefois apparues qu’au milieu du siècle.
En 1941, la première jonction p-n en silicium a été créée, suivie par la construction d’une cellule solaire à haut rendement par les chercheurs des Bell Telephone Laboratories en 1955. L’invention des fameux transistors a ainsi suivi ces découvertes.
A l’époque, le grand public était alors principalement familier avec le germanium, un matériau semi-conducteur.
Un semi-conducteur est un composé dont la conductivité électrique augmente par addition d’impuretés dans sa structure. La conductivité de ce matériau est plus forte que celle des isolants, mais plus faible que celle des métaux.
Le semi-conducteur le plus fréquemment utilisé se compose de silicium (Si), un élément chimique qui s’associe souvent à l’oxygène pour former la silice (SiO2), le rendant très abondant dans la nature.
Chaque atome de silicium (Si) possède quatre électrons périphériques, connus sous le nom d’électrons de valence. Chacun de ces éléments peut être partagé avec un électron provenant de l’un de ses quatre voisins. Il permet ainsi de créer quatre liaisons avec ses plus proches voisins, formant donc huit électrons externes autour de chaque Si (configuration stable).
Le principe d’un semi-conducteur est simple. Il suffit d’exploiter les électrons externes pour former des configurations. Dans ce sens, il faut utiliser les éléments voisins dans la classification périodique, comme le phosphore (P) et le bore (B). Ces éléments ont respectivement un électron périphérique en plus et un électron périphérique en moins que le silicium.
Si parfois un atome de phosphore (P) remplace un atome de silicium (Si) dans la structure (comme une impureté représentant une fraction de %), il apporte non pas quatre, mais cinq électrons dans sa couche externe. Cela lui donne alors une configuration avec neuf électrons périphériques, qui n’est plus stable.
Il convient de noter qu’un électron a tendance à quitter ce système où il n’est pas bienvenu. Elle devient alors une charge négative mobile et laisse donc derrière elle une charge positive fixe, liée à l’atome de phosphore.
Le caractère négatif de la charge mobile a donné à ce type de semi-conducteur son appellation « de type n« .
Le cas du semi-conducteur de type p est symétrique par rapport au précédent. L’atome de bore (B) n’a que trois électrons périphériques. Dans ce cristal, l’électron a besoin de se lier avec un électron supplémentaire présent dans le cristal.
Une fois ce travail effectué, l’électron devient fixe et s’associe au bore. C’est l’équivalent d’une charge positive (défaut d’électron) quittant l’atome de bore pour devenir un « trou » positif mobile.
En somme, pour revenir à 4 électrons. Les impuretés libèrent un électron (cas de P) ou en capturent un (cas de B).
Une partie du semi-conducteur est « dopée n », et l’autre « p ». Ces deux couches se séparent par un plan dit de jonction. Les électrons (majoritaires) sont les charges électriques mobiles présentes dans la zone n.
Les charges fixes sont celles de l’élément dopant (phosphore par exemple). Inversement, dans la zone p, les trous positifs (absences d’électrons) sont mobiles. Les électrons du dopant (B par exemple) sont fixes.
En l’absence de toute tension électrique externe, les charges mobiles se déplacent vers le plan de jonction. Ainsi elles laissent derrière elles des charges fixes. Ces dernières génèrent un champ électrique intense, dirigé de n vers p.
C’est ce champ électrique qui permet de repousser les charges mobiles éventuelles vers les deux extrémités. La région voisine du plan de jonction est alors désertée par les charges mobiles.
Un phénomène assez similaire se produit lorsqu’on illumine la partie n, qui est très mince, d’un circuit électrique contenant une jonction n-p. C’est justement sur cet effet que repose essentiellement la technologie photovoltaïque.
Plus précisément, quand des photons lumineux porteurs de l’énergie solaire suffisante pénètrent dans le cristal de semi-conducteur, ils libèrent des électrons supplémentaires. L’excès de ces électrons a tendance à quitter la zone n vers l’extérieur, car ils sont repoussés. Le champ électrique très fort les repoussent au voisinage du plan de jonction.
Suite aux mouvements des électrons dans une cellule de semi-conducteur excitée par des photons, du courant se crée dans le sens inverse de celui des charges négatives. C’est ce qu’on appelle le photo courant, un courant qui ne circule que dans un seul sens.
En règle générale, le courant généré va de la zone p vers la zone n dans le circuit électrique. Dans le semi-conducteur, en revanche, il va de la zone n vers la zone p.
L’origine du terme « semi-conducteur » est donc liée à ce sens unique de circulation du courant. Ce terme est aussi lié à une plus grande résistance à son passage (en comparaison de ce qui se passe pour les métaux).
La combinaison de ces concepts permet ainsi d’obtenir un convertisseur pour la technologie photovoltaïque. Celui-ci permet l’obtention d’une différence de potentiel utilisable. Il s’agit donc d’une source de courant électrique susceptible d’alimenter un appareil électrique.
En présence d’un circuit extérieur, ici, c’est l’intervention des photons qui entre en jeu, les électrons sont contraints de circuler. L’énergie requise pour leur mise en circulation varie selon la nature des atomes auxquels ils sont associés.
Einstein a montré l’existence d’une bande interdite caractéristique de chaque atome. Il s’agit d’une barrière qu’il faut franchir pour mettre les électrons en mouvement. L’exposition d’un semi-conducteur à un flux lumineux, permet l’absorption des photons qu’il contient.
Cependant il faut que l’énergie du photon soit suffisante pour que l’électron puisse quitter la bande de valence (où il sert à assurer la cohésion de la structure), vers la bande de conduction (où il est mobile et capable de générer un courant électrique).
En ce qui concerne le silicium, pour surmonter cette « barrière », il est nécessaire d’avoir une énergie minimale de 1,1 électron-volt (eV), correspondant à la partie la moins énergétique du rayonnement solaire. Cette énergie s’associe à des longueurs d’onde proches de 1 micromètre, situées dans le proche infrarouge.
Pour optimiser l’utilisation de l’ensemble du spectre solaire, y compris la partie UV, il a été nécessaire d’incorporer dans la technologie photovoltaïque plusieurs jonctions distinctes superposées.
Pour chacune d’elles, la bande interdite se trouve adaptée à une partie donnée du spectre solaire. On appelle ce système le concept de multijonctions. Le rendement énergétique de la cellule, c’est-à-dire le pourcentage du rayonnement transformé en énergie, devient ainsi plus optimal.
Énergie solaire : tout ce que vous devez savoir
L’énergie solaire est utilisée pour générer de l’électricité à l’aide de panneaux solaires photovoltaïques, ou de la chaleur en utilisant des capteurs thermiques. Elle permet de faire d’importantes économies énergétiques et de réduire les émissions de gaz à effet de...
Monocristallin ou polycristallin : quelles différences ?
Les panneaux solaires photovoltaïques vous permettent de produire de l’électricité à partir de l’énergie solaire. Ils sont constitués de cellules solaires à base de silicium cristallin qui transforment la lumière du soleil en énergie électrique. Les panneaux solaires...
