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Comment la lumière peut-elle se transformer en électricité ?

Les principes de fonctionnement de la technologie photovoltaïque. À lire si on est mordu de science et de technologie !

Comment la lumière peut-elle se transformer en électricité
En Arizona. © Lars Hammar, CC.

Le principe de l’obtention de courant par les cellules photovoltaïques utilise l’effet photoélectrique, et consiste à forcer les électrons et les « trous libres » à se diriger chacun vers une face opposée du matériau plutôt que de se recombiner naturellement. Vous allez mieux comprendre en lisant la description ci-dessous.

Pour comprendre la conversion photovoltaïque, il faut saisir trois phénomènes physiques, lesquels ont lieu au sein des matériaux :

L’absorption de la lumière.

La lumière est composée de photons, qui sont des particules associées aux ondes électromagnétiques et qui possèdent une certaine quantité d’énergie selon leur longueur d’onde. L’absorption est un phénomène par lequel l’énergie d’un photon est acquise par le matériau et transformée en une autre forme d’énergie.

Le transfert d’énergie des photons aux charges électriques.

Les photons absorbés transfèrent leur énergie aux électrons périphériques (les plus éloignés du noyau), leur permettant ainsi de se libérer de l’attraction de leur noyau. On les « attire » ensuite vers l’extérieur afin de créer un courant électrique. L’électron libéré laisse un « trou » qui se traduit par une charge positive. Lorsque cet électron est attiré au-dehors, c’est l’électron d’un atome voisin qui va venir combler ce trou, laissant à nouveau un trou, lui-même comblé par un électron voisin et ainsi de suite. On génère ainsi une circulation de charges élémentaires, d’électrons dans un sens, et de trous dans l’autre sens, ce qui donne un courant électrique (Labouret et al, 2006).

La « collecte des charges ».

Pour que les charges libérées par l’illumination soient génératrices d’énergie, il faut qu’elles circulent. Il faut donc les « attirer » hors du matériau semi-conducteur dans un circuit électrique. Cette extraction des charges est réalisée au sein d’une jonction créée volontairement dans le semi-conducteur. Le but est d’engendrer un champ électrique à l’intérieur du matériau, qui va entraîner les charges négatives d’un côté et les charges positives de l’autre. L’extraction des charges est possible grâce au dopage du semi-conducteur. La jonction d’une photopile au silicium est constituée d’une partie dopée au phosphore, dite de type « n » accolée à une partie dopée au bore dite de type « p ». C’est à la frontière de ces deux parties, appelée jonction p–n, que se crée un champ électrique pour séparer les charges positives et négatives. Le dopage d’un semi-conducteur va permettre d’amener des charges excédentaires qui amélioreront la conductivité du matériau.

Les panneaux PV : à module cristallin ou amorphe ?

Vient ensuite le type de module, qu’on retrouve aussi selon deux types : les modules cristallins et les modules en film mince (amorphe).

  • La technologie au silicium cristallin est la plus efficace (de même que la plus ancienne et commune) à convertir les rayons lumineux en courant électrique (environ 20% d’efficacité en moyenne) mais son coût est plus élevé. Les panneaux PV que les gens peuvent rencontrer sur les toits utilisent cette technologie. Elle se décline à son tour en deux catégories : le monocristallin - la photopile est constituée d’un seul cristal et adopte une apparence gris-bleutée ou noire ; ce type cellules produit le plus d’énergie au mètre carré - ou le polycristallin - la pile solaire est alors composée de plusieurs cristaux assemblés et présente l’aspect d’une « mosaïque » compacte de fragments cristallins bleutés de quelques millimètres à quelques centimètres, appelés grains (Labouret et al, 2006). Cette dernière catégorie offre un meilleur rapport qualité/prix et est la plus utilisée malgré un rendement légèrement inférieur (13% – 15%). Sa durée de vie est de plus de 35 ans.
  • La technologie des couches minces est dite « amorphe » car sa structure est désordonnée, et non cristalline. Une couche de silicium amorphe aura une épaisseur d’environ 1 μm (un millionième de mètre) à peine. Cette technologie a donc l’avantage de permettre de grandes économies de matériaux, en plus de pouvoir être appliquée sur des surfaces diverses (même des surfaces souples) et de pouvoir tirer avantage de sources faibles et diffuses. Le rendement de la technologie amorphe est cependant divisé par deux par rapport à celui du cristallin et nécessite de ce fait une surface beaucoup plus importante (le double) pour une même puissance installée. Il est tout de même possible pour certaines technologies de couches minces d’obtenir des rendements allant jusqu’à 12%. En dépit de son rendement plus faible que le cristallin, la technologie amorphe a un prix de revient plus faible par watt installé mais elle fait rarement le choix des consommateurs vu la plus grande superficie requise pour une même puissance.

La prochaine génération de cellules solaires photovoltaïques

Les cellules de l’avenir utilisent des approches très avancées pour arriver à des performances extrêmement intéressantes. Par exemple, la technologie « multi-jonctions » permet un rendement de 30 à 38% pour les cellules (soit environ 25% pour un module), s’approchant de l’efficacité du solaire thermique. Cette technologie, historiquement utilisé pour des applications spatiales, consiste à réaliser des structures ayant plusieurs couches, chaque couche captant une partie de l’énergie incidente et laissant passer l’énergie non captée pour la couche inférieure. Cette stratégie permet de profiter plus amplement du rayonnement solaire. Les applications terrestres utilisent cependant des concentrateurs solaires pour arriver à des performances très élevées. Son coût est de l’ordre de 40¢/cm².

Une autre approche consiste à capter la chaleur accumulée sur le panneau pour chauffer un fluide (air ou eau) et abaisser la température du panneau, augmentant ainsi sa performance. On profite donc ainsi de l’énergie électrique et thermique simultanément. On appelle cette technologie : collecteur solaire hybride photovoltaïque thermique.

 

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