Energie solaire

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ANIMATION - Le fonctionnement d'une cellule photovoltaïque
L’effet photovoltaïque est mis en œuvre dans les cellules photovoltaïques pour produire de l’électricité à partir du rayonnement solaire. Pour fabriquer les cellules photovoltaïques, on utilise des matériaux aux propriétés particulières : les semi-conducteurs. Et ceci pour deux raisons :
- ils absorbent facilement la lumière
- ils permettent de générer un champ électrique et une tension électrique.
Ce champ électrique va être obtenu par la superposition de deux couches d’un semi-conducteur, en général du silicium, « dopées », c’est-à-dire dans lesquelles on a introduit des « éléments perturbateurs » appelés « impuretés », qui améliorent sa conductivité électrique. L’une des couches de silicium est ainsi dopée en atomes de phosphore. Le phosphore est un atome qui possède plus d'électrons sur sa périphérie que le silicium. L’un de ces électrons ne participe pas aux liaisons et est donc "libre" de se déplacer. Le dopage introduit dans cette couche des atomes susceptibles de libérer des électrons mobiles : on parle de couche N car la charge mobile est négative. L’autre couche du semi-conducteur est, quant à elle, dopée au bore, déficitaire en électrons. Le bore est un atome qui possède moins d'électrons sur sa périphérie que le silicium, il lui manque un électron pour la réalisation des liaisons. Le bore va donc capter un électron dans le reste du matériau. Cet électron laisse derrière lui un « trou d’électron », qui est mobile et de charge positive. Le dopage introduit dans cette couche des atomes susceptibles de libérer des trous mobiles : on parle de couche P car la charge mobile est positive. Les électrons et les trous se déplacent par diffusion dans ces deux couches. Au voisinage de leur interface, la diffusion entraîne une recombinaison entre les trous et les électrons : les électrons et les trous mobiles s’annihilent. Ce phénomène produit une zone non neutre électriquement d’atomes de phosphore, chargée positivement et une zone non neutre électriquement d’atomes de bore, chargée négativement. On obtient ainsi un champ électrique au sein du semi-conducteur et cette région est appelée jonction P-N. Ce champ électrique s’accompagne de l’apparition d’une différence de potentiel électrique entre la zone N et la zone P. Lorsque les rayons du soleil frappent une cellule photovoltaïque, sur laquelle on a disposé deux bornes, les photons de la lumière transmettent leur énergie aux électrons qui sont arrachés des atomes dans lesquels ils laissent des trous. Les électrons et les trous ainsi formés vont avoir tendance à se recombiner, mais lorsque le phénomène a lieu dans ou au voisinage de la jonction P-N, le champ électrique va au contraire contribuer à séparer les charges positives et négatives : les électrons sont repoussés vers la couche N, les trous vers la couche P. Les électrons cherchant à se combiner avec les trous sont alors obligés de passer par un circuit extérieur pour rejoindre les trous, créant ainsi un courant électrique continu qu’on appelle le photocourant. Les électrons sont délivrés sous la tension créée dans la jonction P-N, que l’on appelle la photo-tension. Le produit des deux correspond à la puissance électrique délivrée par la cellule qui convertit ainsi directement une partie de l’énergie lumineuse en énergie électrique. Le rapport entre l’énergie de la lumière et l’énergie électrique est appelé le rendement de conversion de la cellule.