Les cellules photovoltaïques transforment les photons en électrons
Les cellules photovoltaïques, ou PV en abrégé, sont des dispositifs fascinants qui convertissent l’énergie lumineuse, généralement celle du soleil, en énergie électrique par un processus appelé effet photovoltaïque. Cet effet photovoltaïque se produit dans des matériaux communément appelés semi-conducteurs, et les cellules solaires sont fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium (Si), le deuxième matériau le plus abondant sur Terre après l’oxygène, qui est utilisé pour convertir la lumière du soleil en électricité. En d’autres termes, les photovoltaïques transforment les photons en électrons.
Ce processus de conversion, aussi efficace soit-il, ne produit aucun déchet nocif ou émissions pour l’environnement, en faisant une méthode de production d’énergie propre, verte et efficace. Une cellule photovoltaïque, également connue sous le nom de “cellule solaire”, est un dispositif semi-conducteur qui génère de l’électricité en courant continu (CC) lorsque la lumière tombe sur elle.
Les photovoltaïques transforment les photons en électrons grâce à ce que l’on appelle l’« effet photovoltaïque » (photo signifiant lumière, et voltaïque signifiant électricité). Dans l’effet photovoltaïque, les rayons des photons provenant du soleil frappent la surface du matériau semi-conducteur en silicium, libérant des électrons libres des atomes du matériau.
Il existe une variété de matériaux différents à partir desquels une cellule solaire peut être fabriquée, le silicium étant le plus courant. Quel que soit le matériau, tous les photovoltaïques convertissent le rayonnement solaire en électricité en courant continu (CC), qui peut ensuite être utilisé pour alimenter des dispositifs électriques.
La cellule solaire photovoltaïque est généralement fabriquée à partir de cristaux de silicium modifiés tels que le silicium cristallin et amorphe, ou d’autres matériaux semi-conducteurs, qui absorbent et convertissent la lumière du soleil en électricité.
Des produits chimiques de dopage spécifiques sont ajoutés à la composition du silicium pour aider à établir un chemin pour que les électrons libérés puissent s’écouler. Cela crée un flux d’électrons appelé courant CC.
Les semi-conducteurs sont des matériaux non métalliques, comme le germanium et le silicium, dont la caractéristique I-V des cellules solaires est intermédiaire entre celle d’un conducteur, qui offre très peu de résistance à l’écoulement du courant électrique, et d’un isolant, qui bloque pratiquement complètement l’écoulement du courant électrique. D’où le terme « semi-conducteur ».
Le matériau à base de silicium est appelé semi-conducteur, car le dispositif conduit les électrons dans une seule direction, de négatif à positif.
Le silicium cristallin a été le principal matériau utilisé pour fabriquer des cellules photovoltaïques solaires au cours des dernières décennies, le silicium polycristallin et amorphe étant les plus utilisés. L’augmentation récente de l’intérêt pour l’énergie solaire domestique et les cellules photovoltaïques a considérablement avancé la technologie des films solaires avec le tellure de cadmium et le sulfure de cuivre et d’indium qui sont désormais utilisés dans les applications d’énergie renouvelable domestiques.
Les cellules photovoltaïques comprennent, en essence, une jonction entre deux fines couches de matériaux semi-conducteurs différents. Une couche de silicium est traitée avec une substance pour créer un excès d’électrons. Cela devient la couche de semi-conducteur de type négatif ou “N”. L’autre couche est traitée pour créer une déficience d’électrons, et devient la couche de semi-conducteur de type positif ou “P”.
Les semi-conducteurs de type N sont fabriqués à partir de silicium cristallin qui a été “dopé” avec de petites quantités d’un atome d’impureté (généralement du phosphore) de telle manière que le matériau dopé possède un surplus d’électrons libres, d’où le terme semi-conducteur de type négatif. Les semi-conducteurs de type P sont également fabriqués à partir de silicium cristallin, mais sont dopés avec de très petites quantités d’un autre atome d’impureté (généralement du bore) qui provoque chez le matériau un déficit d’électrons libres.
Ces électrons “manquants” dans le réseau semi-conducteur sont affectueusement appelés “trous”, et puisque l’absence d’un électron chargé négativement peut être considérée comme équivalente à une particule chargée positivement, le silicium dopé de cette manière est connu comme un semi-conducteur de type positif.
Lorsque ces matériaux semi-conducteurs dissemblables sont assemblés ensemble avec des conducteurs, l’arrangement devient un semi-conducteur de jonction PN sensible à la lumière qui établit un champ électrique dans la région de la jonction et que nous connaissons communément sous le nom de cellule solaire photovoltaïque. Ainsi, lorsque de telles cellules solaires ou PV similaires sont combinées en panneaux solaires, cela entraîne une capacité de production d’électricité beaucoup plus élevée.
Construction d’une cellule solaire photovoltaïque
Alors, comment les photovoltaïques transforment-ils les photons en électrons ?
La lumière du soleil, agissant comme un carburant, transporte de l’énergie dans la cellule photovoltaïque. Lorsqu’une particule de photon provenant de la lumière du soleil frappe la surface de la cellule solaire en silicium ou les structures dopées composées de silicium-phosphore ou silicium-bore, les photons de la lumière du soleil absorbée libèrent et déplacent des électrons des atomes de silicium de la cellule, transférant l’énergie et les excitant.
Cette excitation des électrons les rend disponibles pour se libérer de leur atome parent et se déplace vers un niveau de valence supérieur. Comme des milliards de photons frappent la cellule chaque seconde, de nombreux électrons sont libérés.
Finalement, l’électron excité est expulsé de l’atome, lui permettant d’errrer librement dans le matériau semi-conducteur. Comme un côté de la jonction PN présente un “manque d’électrons” (trous), tandis que l’autre côté de la jonction a un “excès d’électrons”, ces électrons libres traversent la jonction, créant et remplissant des trous dans la cellule.
C’est ce mouvement d’électrons et de trous qui génère de l’électricité et tant qu’il y a de la lumière frappant la cellule, des électrons s’échapperont de la cellule. Le processus physique par lequel une cellule photovoltaïque convertit la lumière du soleil en électricité est connu sous le nom d’effet photovoltaïque.
Les électrons libérés par l’interaction de la lumière du soleil avec le matériau semi-conducteur créent un flux d’électrons alors que les électrons libres se déplacent ensemble autour d’un circuit externe. La génération de puissance électrique nécessite à la fois une tension et un courant. Donc, pour produire de l’énergie, la cellule photovoltaïque doit générer une tension ainsi que le courant fourni par le flux d’électrons.
La tension de la cellule photovoltaïque est fournie par le champ électrique interne établi par la jonction PN. Cette jonction de cellule photovoltaïque peut être considérée comme une petite batterie produisant une tension fixe d’environ 0,5 à 0,6 volts.
Une seule cellule photovoltaïque en silicium produit généralement un courant électrique d’environ 3 ampères, une seule cellule solaire photovoltaïque produisant jusqu’à 1,5 watts de puissance. Selon les matériaux semi-conducteurs utilisés, certaines cellules photovoltaïques peuvent générer plus de puissance que cela, et d’autres moins. Ainsi, 36 cellules connectées en série ont suffisamment de tension et de puissance pour charger des batteries de 12 volts ou faire fonctionner des pompes et des moteurs.
Résumé : Les photovoltaïques transforment les photons en électrons
La lumière du soleil est propre, facile à capter et disponible dans le monde entier, et comme elle provient du soleil, elle continuera à être librement accessible pendant de nombreuses millions d’années à venir. Lorsque des photons de la lumière du soleil frappent une cellule solaire, ils transfèrent leur énergie au matériau semi-conducteur, libérant des électrons et générant de l’électricité. Ce processus est la base de la façon dont les photovoltaïques transforment les photons en électrons, fournissant une source d’électricité renouvelable et durable.
L’énergie solaire est propre, verte et efficace, et avec les panneaux solaires modernes ou cellules photovoltaïques facilement disponibles sur le marché, les propriétaires peuvent bénéficier d’énergie gratuite et propre pendant de nombreuses années, le seul coût étant celui du panneau solaire lui-même, ce qui fait de l’énergie solaire un choix idéal dans le cadre d’un système d’énergie renouvelable basé à domicile.
Les cellules photovoltaïques convertissent un type d’énergie (lumière du soleil) en un autre (électrons circulants). Convertir la lumière du soleil en électricité est également très respectueux de l’environnement, puisqu’il ne produit ni pollution ni sous-produits, ni pollution de l’air ou de l’eau, et est totalement silencieux, ce qui le rend idéal pour un avenir plus vert.
Les cellules photovoltaïques sont très modulables, ce qui permet d’installer un système PV aussi petit ou aussi grand que nécessaire. Les cellules photovoltaïques les plus simples alimentent des montres et des calculatrices, tandis que des panneaux solaires et des systèmes plus grands et complexes peuvent éclairer des maisons et fournir de l’énergie au réseau électrique.
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