Histoire et fonctionnement de la cellule photovoltaïque

L’effet photovoltaïque : de la lumière à l’électricité

L’énergie solaire est la fraction de l’énergie électromagnétique provenant du Soleil, sorte de réacteur nucléaire colossal alimenté par des réserves devant lui permettre de briller pendant encore 4 à 5 milliards d’années, qui parvient à la surface de la Terre. Cette énergie a dû traverser l’atmosphère, qui en a absorbé une partie.

Le Soleil est à l’origine de la plupart des énergies sur Terre, à l’exception de l’énergie nucléaire et de la géothermie profonde. L’énergie solaire est également à l’origine du cycle de l’eau, du vent et de la photosynthèse réalisée par le règne végétal dont dépend le règne animal. En 1839, le physicien français Antoine César Becquerel remarque que certains matériaux dits semi-conducteurs possèdent la propriété de générer de l’électricité quand ils reçoivent la lumière du soleil. Il venait de découvrir l’effet photovoltaïque, qui permet de convertir l’énergie solaire en un vecteur énergétique facilement utilisable par l’être humain, l’électricité.

La cellule photovoltaïque

Ce principe est mis en en application dans les cellules photovoltaïques : les photons de la lumière solaire transfèrent leur énergie aux électrons du matériau semi-conducteur, qui se mettent en mouvement. Ils créent ainsi un courant électrique qui est collecté par une grille métallique très fine. Si vous voulez en savoir plus sur le fonctionnement de la cellule photovoltaïque, nous vous expliquons cela en détail dans la suite de cette article !

Ce n’est qu’en 1883 que l’Américain Charles Fritts parvient à produire la première cellule photovoltaïque, une galette de sélénium (matériau semi-conducteur) recouverte par de très fines couches d’or.

Sans pièce mécanique, sans bruit et sans production de polluants, les cellules photovoltaïques convertissent directement l’énergie solaire en électricité, sous forme de courant continu !

Pourtant, le projet de Charles Fritts est arrêté à ce stade : l’or et le sélénium sont des matériaux coûteux et le rendement de la cellule (pourcentage de la lumière solaire reçue qui produit de l’électricité) était faible, de l’ordre de 1%.

Mais le développement de l’informatique et de l’industrie des semi-conducteurs en silicium (utilisés notamment pour les transistors, le composant électronique à la base de tout système informatique), du spatial avec la multiplication des satellites et enfin la prise de conscience de l’urgence d’une action efficace pour contenir le réchauffement climatique ont permis aux pratiques de fabrication des cellules photovoltaïques d’être repensées et considérablement améliorées.

Aujourd’hui majoritairement fabriquées à base de silicium, le second matériau le plus abondant sur Terre, les cellules photovoltaïques actuelles ont des rendements se situant aux alentours de 15%, ce qui signifie qu’environ un sixième de la lumière du soleil les frappant produit de l’électricité.

Cellule photovoltaïque

Mener à bien un projet photovoltaïque, octobre 2017, ADEME

De la cellule aux modules

Chaque cellule ne génère cependant qu’une petite quantité d’électricité, si bien qu’on les assemble ensuite en série et en parallèle. Enfin, on les protège par différentes couches de matériaux afin de former un module photovoltaïque : en face avant, il s’agit le plus souvent d’un verre transparent et en face arrière d’un film en matériau polymère. Les enveloppes employées actuellement sont étudiées pour résister plus de 25 ans aux agressions de l’environnement1.

Le saviez-vous ?

Le lancement du premier satellite fonctionnant à l’énergie photovoltaïque a eu lieu en 1958. De nos jours l’énergie solaire se place comme la première source d’énergie pour les missions spatiales. Les besoins en énergie des satellites sont assurés par des panneaux solaires photovoltaïques. Dans l’espace, le rayonnement solaire n’est pas altéré, l’énergie disponible est donc près de dix fois supérieure à celle captée par la surface terrestre. De plus ce rayonnement est constant car indépendant des saisons, des jours et des conditions météorologiques. Ainsi hors atmosphère l’énergie solaire est aussi fiable que l’énergie nucléaire !

Comment fonctionne une cellule photovoltaïque ?

Les semi-conducteurs

Les matériaux semi-conducteurs sont des matériaux qui ont les caractéristiques électriques des isolants, mais pour lesquels la probabilité qu’un électron (un électron est une particule élémentaire, c’est-à-dire dont on ne connaît pas la composition, qui possède une charge négative. C’est l’un des composants, avec le neutron et le proton, de l’atome) puisse participer à un courant électrique (c’est-à-dire un déplacement d’ensemble d’électrons au sein d’un matériau conducteur) est relativement importante. C’est le cas du silicium.

Dopages de types N et P

On peut doper ces semi-conducteurs en y injectant des atomes.

  • Si ces atomes comportent plus d’électrons de valence (électrons “extérieurs” de l’atome qui interviennent dans les liaisons chimiques) que ceux du semi-conducteur, on se retrouvera avec des électrons excédentaires. On parle de dopage de type N (Négatif)
  • Si ces atomes comportent moins d’électrons de valence que ceux du semi-conducteur, on se retrouvera avec des trous (absences d’électrons). On parle de dopage de type P (Positif).

Dans les deux cas, le semi-conducteur reste électriquement neutre.

Jonction PN

En accolant un semi-conducteur dopé P avec un semi-conducteur dopé N, on crée une jonction PN. À l’interface entre les deux semi-conducteurs, des électrons de la zone N migrent vers la zone P pour venir y combler les trous :

  • lorsque les électrons de la zone N quittent leurs atomes, ces derniers s’ionisent positivement (ils ne sont plus électriquement neutres et cherchent maintenant à capter un électron) : on les appelle alors cations.
  • lorsque ces électrons comblent les trous des atomes de la zone P, les atomes porteurs des trous s’ionisent également, mais négativement : on les appelle alors anions.

Près de l’interface entre les deux semi-conducteurs, les cations de la zone N et les anions de la zone P créent une différence de potentiel, donc un champ électrique. Ce champ électrique empêche les électrons de passer à travers, si bien que le passage des électrons d’un côté à l’autre s’arrête. On atteint un état d’équilibre, avec une couche de transition de très faible épaisseur à l’interface entre les deux semi-conducteurs.

Formation d'une jonction PN

Source : Maxicours

Lorsqu’il n’y a pas de lumière, les cellules photovoltaïques se trouvent dans cet état d’équilibre.

L’effet photovoltaïque

Mais lorsqu’arrive le Soleil, les photons de son rayonnement arrachent des électrons aux atomes où ils laissent des trous.

Les électrons et les trous vont certes avoir tendance à se recombiner, mais lorsque ce phénomène a lieu au voisinage de la jonction, le champ électrique va au contraire séparer les charges positives (trous) des charges négatives (électrons). Ainsi, les électrons sont repoussés vers la zone N et les trous vers la zone P.

Séparation des trous et électrons par les photons

Source : Luxol Photovoltaics

Bien que séparés par la barrière du champ électrique, les électrons de la zone N veulent toujours rejoindre les trous de la zone P. Si on relie la zone N à la zone P par un circuit extérieur (une grille métallique dans le cas des cellules photovoltaïques), les électrons vont passer par ce circuit extérieur pour rejoindre les trous. Se déplaçant ainsi dans un sens bien précis, ils créent un courant électrique continu, appelé photocourant. On mesure ce photocourant en utilisant une grandeur électrique, l’intensité, qui correspond au débit d’électrons circulant à un point donné du circuit électrique. Les électrons sont mis en mouvement par la différence de potentiel (ou tension électrique) créée dans la jonction PN, que l’on appelle phototension. Le produit du photocourant par la phototension nous donne la puissance électrique générée par la cellule photovoltaïque !

L'effet photovoltaïque
Sources

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  1. Les modules de la première installation photovoltaïque de France raccordée au réseau, mise en service par l’association HESPUL en 1992, ont été testés en 2012. Cette étude, réalisée par les laboratoires CEA de l’Institut National de l’Energie Solaire (INES) et l’organisme de certification CERTISOLIS, conclut que les modules n’ont perdu que 8,3 % de leur puissance initiale au bout de 20 ans d’utilisation.

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