Les cellules solaires photovoltaïques produisent de l’électricité solaire
L’énergie solaire peut être considérée comme de l’« Électricité solaire » et la clé pour générer de l’énergie solaire réside dans la « cellule solaire », ou plus précisément, la « cellule solaire photovoltaïque ». L’énergie solaire est l’une des formes d’énergie renouvelable les plus viables et les plus propres, car nous pouvons utiliser l’énergie du soleil à travers la lumière du soleil pour produire de l’électricité grâce aux photovoltaïques.
La cellule solaire fonctionne selon ce que l’on appelle l’effet photovoltaïque, où « photo » signifie lumière et « voltaïque » signifie électricité. Les cellules solaires sont techniquement appelées cellules solaires photovoltaïques, photovoltaïques ou simplement PV.
Les photovoltaïques sont des dispositifs à semi-conducteurs en silicium, similaires à bien des égards aux diodes électroniques et aux transistors. Les photovoltaïques produisent de l’électricité en convertissant l’énergie solaire générée par le soleil, sous forme de lumière visible, de rayonnements ultra-violets (UV) ou de rayonnements infrarouges (IR), en un courant continu (CC) grâce à l’action photovoltaïque de la cellule, sans utiliser de pièces mobiles.
La lumière du soleil est propre, facile à exploiter et est librement disponible dans le monde entier, le seul coût étant celui du panneau photovoltaïque, ce qui fait de l’énergie solaire un choix idéal pour la génération d’électricité locale à domicile.
L’électricité solaire est également très respectueuse de l’environnement, car elle ne produit aucune pollution ni sous-produits, aucune pollution de l’air ou de l’eau, et est complètement silencieuse, ce qui la rend idéale pour un avenir plus vert. L’un des types les plus courants de cellules solaires photovoltaïques est fabriqué à partir de semi-conducteurs en silicium spécialement traités, et est donc connu sous le nom de cellule solaire photovoltaïque en silicium.
Conversion de la lumière du soleil en énergie électrique
La génération d’énergie solaire commence avec la cellule solaire photovoltaïque. Les cellules photovoltaïques (PV) sont des dispositifs à semi-conducteurs fabriqués à partir de plaquettes de silicium hautement purifié (Si) dopé avec des impuretés spéciales leur donnant une abondance d’« électrons » et de « trous » au sein de leur structure cristalline.
Les cellules solaires convertissent l’énergie lumineuse en courant électrique, elles ne stockent pas d’énergie, mais elles peuvent être considérées comme une petite batterie produisant une tension de sortie fixe d’environ 0,5 à 0,6 volts selon le type.
Les cellules solaires photovoltaïques produisent un courant continu variable qui est proportionnel à leur taille et à la quantité de radiations solaires tombant sur la plaquette de silicium. Étant des dispositifs à semi-conducteurs en silicium, elles se composent d’une couche de type P positive et d’une couche de type N négative jointes ensemble pour former une « jonction PN » très similaire à celle de la diode à jonction PN.
La cellule solaire photovoltaïque est fabriquée à partir de cristaux de silicium. Les atomes de silicium cristallin ont quatre électrons dans leur orbitale la plus externe. Ces quatre électrons sont partagés avec des atomes de silicium voisins pour former des orbitales complètes de huit électrons, créant une structure atomique stable. Lorsque la lumière du soleil frappe le matériau en silicium, les électrons sont « éjectés » de leur orbitale et deviennent des « électrons libres ». Étant donné que les électrons dans le matériau cristallin de silicium ne deviennent libres que lorsqu’ils sont exposés à la lumière, il est donc appelé semi-conducteur.
En d’autres termes, exposer le silicium à la lumière fait que ses électrons deviennent mobiles ou libres. Mais simplement exposer un semi-conducteur à la lumière ne suffit pas à extraire un courant électrique, pour ce faire, nous devons créer des pôles « positifs » et « négatifs » au sein du silicium permettant aux électrons et donc à un courant de circuler dans et hors du matériau en silicium.
Semi-conducteurs N-type pour cellules solaires photovoltaïques
Pour que notre cristal de silicium conduise l’électricité, nous devons introduire un atome d’impureté tel que le phosphore (P) dans la structure cristalline, le rendant extrinsèque (des impuretés sont ajoutées). Les atomes de phosphore ont cinq électrons externes dans leur orbitale externe à partager avec des atomes voisins et sont couramment appelés impuretés « pentavalentes » (à 5 électrons). Cela permet à quatre des cinq électrons orbitaux de se lier avec ses atomes de silicium voisins, laissant un « électron libre » flotter autour du cristal dopé.
Lorsqu’ils sont exposés à la lumière du soleil, les électrons libérés des atomes de silicium sont rapidement remplacés par les électrons libres disponibles issus des atomes de phosphore dopés (flux d’électrons). Mais cette action laisse tout de même un électron supplémentaire (l’électron libéré) flottant autour du cristal dopé, le rendant chargé négativement. Un matériau semi-conducteur est classé comme étant de type N lorsqu’il a un excès d’électrons, créant ainsi un pôle négatif. Comme chaque atome d’impureté « donne » un électron, les atomes pentavalents sont généralement appelés « donneurs ».
Semi-conducteurs P-type pour cellules solaires photovoltaïques
Si nous allons dans l’autre sens et introduisons une impureté « trivalente » (3 électrons) dans la structure cristalline, comme le bore (B), qui a seulement cinq électrons agencés en trois couches autour de son noyau avec l’orbitale la plus externe ne contenant que trois électrons, le quatrième lien fermé ne peut pas être formé. Par conséquent, une connexion stable complète n’est pas possible, donnant au matériau semi-conducteur une abondance de transporteurs de charge positifs connus sous le nom de « trous » dans la structure du cristal où les électrons sont effectivement manquants.
Comme il y a maintenant un trou dans le cristal de silicium, un électron voisin est attiré et tentera de se déplacer vers le trou pour le remplir. Cependant, l’électron qui remplit le trou laisse un autre trou derrière lui au fur et à mesure de son déplacement.
Cela attire à son tour un autre électron, créant ainsi un autre trou derrière lui, et ainsi de suite, donnant l’impression que les trous se déplacent comme une charge positive à travers la structure cristalline du semi-conducteur. Ce mouvement des trous représente l’écoulement du courant conventionnel.
Le mouvement des trous entraîne une pénurie d’électrons dans le silicium, transformant l’ensemble du cristal dopé en pôle positif. Par conséquent, un matériau semi-conducteur de type P a plus de trous que d’électrons et, comme chaque atome d’impureté génère un trou, les impuretés trivalentes sont généralement appelées « Accepteurs », car elles sont en permanence « acceptant » des électrons supplémentaires ou libres.
La jonction PN
À elles seules, les matières semi-conductrices de type N et de type P sont électriquement neutres, mais lorsque ces deux matériaux semi-conducteurs sont d’abord réunis, certains des électrons libres se déplacent à travers la jonction pour remplir les trous dans le matériau P-type, produisant ainsi des ions négatifs. Mais parce que les électrons ont déménagé, ils laissent derrière eux des ions positifs du côté négatif N, et les trous se déplacent à travers la jonction dans la direction opposée, vers la région où il y a un grand nombre d’électrons libres. Ce mouvement des électrons et des trous à travers la jonction est connu sous le nom de diffusion.
Ce processus se poursuit jusqu’à ce que le nombre d’électrons ayant traversé la jonction ait une charge électrique suffisamment importante pour repousser ou empêcher d’autres porteurs de traverser la jonction. Finalement, un état d’équilibre (situation électriquement neutre) se produit, produisant une zone de « barrière de potentiel » autour de l’aire de la jonction, car les atomes donneurs repoussent les trous et les atomes accepteurs repoussent les électrons. Étant donné que aucun porteur de charge libre ne peut se reposer à un endroit où il y a une barrière potentielle, elle est donc « épuisée » de tout porteur mobile libre, et cette zone autour de la jonction est désormais appelée couche de déplétion.
La signification de ce potentiel intégré est qu’il s’oppose à la fois au flux de trous et d’électrons à travers la jonction, et c’est pourquoi on parle de barrière de potentiel. La lumière du soleil est un rayonnement électromagnétique composé d’unités très petites d’énergie lumineuse appelées photons.
Lorsque un photon sous forme de lumière du soleil frappe la jonction PN du matériau semi-conducteur des cellules solaires, l’énergie du photon déloge ou libère tout électron libre au sein de cette jonction PN à mesure qu’ils deviennent excités par l’énergie des photons. Cela a pour résultat que les électrons sont libérés et peuvent se déplacer librement à travers la couche de déplétion, laissant un trou ou une charge positive à leur place.
Dans le matériau de type P, ces électrons libres traversent facilement la couche de déplétion et pénètrent dans le matériau de type N, mais ce mouvement des électrons est unidirectionnel, car les électrons ne peuvent pas traverser la couche de déplétion pour revenir dans le matériau de type P. En conséquence, un excès d’électrons libres s’accumule dans le matériau semi-conducteur de type N, créant un courant électrique au sein de la cellule solaire et ce processus continue indéfiniment tant qu’il y a une exposition à la lumière du soleil.
Alors que les côtés positifs et négatifs de la jonction sont maintenant créés, la cellule solaire photovoltaïque agit comme un type de batterie produisant à la fois une tension et un courant continu. Ensuite, des cellules photovoltaïques transforment les photons en électrons sous forme de courant électrique. De petits fils ou des ailettes métalliques sont connectés aux matériaux semi-conducteurs de type P et de type N pour exploiter cette énergie nouvellement créée produisant de l’énergie solaire sous la forme d’un flux de courant continu, comme montré ci-dessous.
Construction de la cellule solaire photovoltaïque
Énergie solaire du soleil
La plaquette de silicium de la cellule solaire photovoltaïque faisant face au soleil est constituée des contacts électriques et est recouverte d’un revêtement anti-réfléchissant qui aide à absorber efficacement la lumière du soleil. Les contacts électriques fournissent la connexion entre le matériau semi-conducteur et la charge électrique externe, comme une ampoule ou une batterie.
Lorsque la lumière du soleil brille sur une cellule PV, les photons de lumière frappent la surface du matériau semi-conducteur et libèrent des électrons de la structure atomique des matériaux. Certains produits chimiques de dopage sont ajoutés à la composition du semi-conducteur pour aider à établir un chemin des électrons libérés.
Ceci crée un flux d’électrons formant un courant électrique qui commence à circuler sur la surface de la cellule solaire photovoltaïque. Des bandes métalliques sont placées sur la surface de la cellule photovoltaïque pour collecter ces électrons, formant ainsi la connexion positive.
Le dos de la cellule PV, le côté éloigné de la lumière du soleil entrant, se compose d’une couche d’aluminium ou de molybdène qui forme la connexion négative à la cellule. Ainsi, une cellule solaire photovoltaïque a deux connexions électriques pour un flux de courant conventionnel, une positive et une négative.
Le type d’énergie solaire produit par une cellule solaire photovoltaïque est appelé courant direct ou CC, comme celui d’une batterie. La plupart des cellules solaires photovoltaïques produisent une tension en circuit ouvert (sans rien connecté) d’environ 0,5 à 0,6 volts lorsque aucun circuit externe n’est connecté. Cette tension de sortie (VOUT) dépend beaucoup des demandes de courant de charge (I) de la cellule PV.
Par exemple, lors d’une journée très nuageuse ou sombre, la demande de courant serait faible et donc la cellule pourrait fournir la tension de sortie complète, VOUT, mais à un courant de sortie réduit. Mais à mesure que la demande de courant de la charge augmente, une lumière plus brillante (radiation solaire) est nécessaire au niveau de la jonction pour maintenir une tension de sortie complète, VOUT.
Cependant, il existe une limite physique au courant maximal qu’une seule cellule solaire photovoltaïque peut fournir, peu importe l’intensité ou la luminosité du rayonnement solaire. Cela s’appelle le courant maximal livrable et symbolisé par IMAX.
La valeur IMAX d’une seule cellule solaire photovoltaïque dépend de la taille ou de la surface de la cellule (surtout la jonction PN), de la quantité de lumière directe du soleil frappant la cellule, de son efficacité à convertir cette énergie solaire en courant et, bien sûr, du type de matériau semi-conducteur dont la cellule est fabriquée, que ce soit en silicium, en arsenide de gallium, en sulfure de cadmium, en tellurure de cadmium, etc.
La plupart des cellules solaires photovoltaïques disponibles commercialement ont des cotes de puissance solaire qui indiquent la puissance solaire maximale livrable, PMAX, que la cellule peut fournir en watts, et est égale au produit de la tension de la cellule V multiplié par le courant maximal de la cellule I, et donné par :
Où : W est en watts, V est en volts et I est en ampères
Exemple de cellule solaire photovoltaïque n°1
Calculez le courant de sortie maximal d’une cellule photovoltaïque en silicium de 0,5 V avec une puissance maximale de 1,75 watts en plein soleil.
Notez que c’est le courant théorique maximal, car le courant réel est déterminé par le taux des photons solaires entrants. La quantité d’énergie électrique générée par une cellule photovoltaïque dépend de l’irradiance solaire et d’autres conditions telles que la température et la couverture nuageuse. La puissance nominale d’une cellule photovoltaïque, exprimée en watts (W), est la puissance maximale ou de pointe que peut délivrer une cellule en plein soleil, la cellule étant découverte. Essayons un autre exemple.
Exemple de cellule solaire photovoltaïque n°2
En plein soleil, une cellule photovoltaïque de 0,58 volt produit un courant de sortie de 1,73 ampères. Calculez la puissance de sortie maximale de la cellule photovoltaïque en watts.
Différents fabricants se réfèrent à la puissance de sortie d’une cellule photovoltaïque en plein soleil comme sa : « puissance de sortie maximale », « puissance de pointe », « puissance nominale », « point de puissance maximale » ou d’autres termes similaires, mais ils signifient tous la même chose.
Comme nous l’avons dit auparavant, les conditions d’ensoleillement standard lors d’une journée claire à l’équateur à midi sont supposées fournir une irradiance de 1 000 watts d’énergie solaire par mètre carré (1000 W/m2 ou 1 kW/m2), et cela est généralement appelé condition de « Plein soleil ». C’est l’irradiance maximale sur la surface des photovoltaïques.
Moins que le plein soleil réduira la sortie de courant de la cellule d’une manière proportionnelle. Par exemple, si seulement la moitié de l’énergie du soleil (500 W/m2) est disponible, la quantité de courant de sortie est à peu près réduite de moitié, car la cellule solaire n’a que la moitié de la luminosité pour générer de l’électricité.
Les fabricants de cellules solaires photovoltaïques produisent des courbes courant-tension (I-V), comme montré ci-dessous, qui indiquent le courant et la tension auxquels la cellule photovoltaïque génère la puissance maximale et sont basées sur la cellule sous des conditions standard de lumière solaire et de température, sans ombrage.
Caractéristiques I-V de la cellule solaire photovoltaïque
La puissance disponible d’une cellule solaire photovoltaïque à tout point le long de la courbe est exprimée en watts et est calculée en multipliant la tension par le courant, comme nous l’avons vu ci-dessus, watts = volts x ampères. Pour obtenir la puissance de sortie maximale d’une cellule, la face de la cellule photovoltaïque doit être orientée directement vers le soleil autant que possible.
Ainsi, pour produire plus de puissance électrique avec une cellule solaire photovoltaïque, il est nécessaire d’augmenter soit l’effet photovoltaïque, l’énergie des photons, soit de produire un type de cellule plus efficace pour convertir l’énergie solaire en électricité. Actuellement, la plupart des cellules solaires photovoltaïques commerciales sont fabriquées à partir de silicium, le même matériau dont est composé le sable.
Dans le prochain tutoriel sur l’« Énergie solaire », nous examinerons les différents types de cellules photovoltaïques disponibles ainsi que leur construction et leurs efficacités solaires.