Mais comment se fait-il qu’un panneau solaire puisse transformer les rayons du soleil en électricité ? Et à quoi servent les petits carrés qui composent les panneaux solaires ? Voici une explication sur la cellule photovoltaïque, une technologie fascinante et tellement utile !
La cellule photovoltaïque et l’effet photoélectrique
Le panneau solaire est découpé en « petits carrés », car un panneau est un assemblage de cellules photovoltaïques. Elles sont à l’origine de la génération d’électricité.
Pour commencer, explorons le principe de base de l’effet photoélectrique.
Le principe de l’effet photoélectrique (transformation directe d’énergie portée par la lumière en électricité) a été appliqué dès 1839 par Antoine Becquerel. Il notait à l’époque qu’une chaîne d’éléments conducteurs d’électricité comme le silicium donnait naissance à un courant électrique spontané lorsqu’elle était éclairée. L’électricité ainsi produite étant proportionnelle à l’intensité de l’éclairage.
Cette chaîne d’éléments conducteurs qui produit un courant continu est le cœur de la cellule photovoltaïque.
Fonctionnement de la cellule photovoltaïque
En fait, une cellule photovoltaïque utilise ce phénomène photoélectrique pour produire de l’électricité, sous forme de courant continu. En réalité, elle n’est qu’un simple composant électronique, constitué de semi-conducteurs, principalement à base de silicium. Visuellement, la cellule photovoltaïque prend la forme de fines plaques d’une dizaine de centimètres de côté. Ensuite, ces cellules photovoltaïques sont assemblées dans un module photovoltaïque, plus communément appelé panneau solaire.
Des photons et des trous
Quand ces semi-conducteurs sont exposés à la lumière (composée de photons), un photon avec suffisamment d’énergie « arrache » un électron, créant au passage un trou. Normalement, l’électron trouve rapidement un trou pour se replacer, et l’énergie apportée par le photon disparaît.
Le principe d’une cellule photovoltaïque est de forcer les électrons et les trous à se diriger chacun vers une face opposée du matériau photovoltaïque au lieu de se replacer simplement dans la même position qu’avant. Ainsi apparaîtra une différence de potentiel, c’est-à-dire une tension entre les deux faces, comme dans une pile. Il s’agit en somme de faire déplacer tous ces électrons et ces trous dans une seule et même direction pour créer un courant.
La solution la plus fréquente pour guider les électrons et les trous est d’utiliser un champ électrique au moyen d’une jonction PN, entre deux couches « dopées » respectivement P (positif) et N (négatif). Le dopage des cristaux de silicium consiste à leur ajouter d’autres atomes pour améliorer la conductivité du matériau.
Dopage des cristaux
Dopage de type N : un atome de silicium compte 4 électrons. L’une des couches de la cellule est dopée avec des atomes de phosphore qui, eux, comptent 5 électrons (soit 1 de plus que le silicium). On parle de dopage négatif, car les électrons (de charge négative) sont excédentaires.
Dopage de type P : l’autre couche de la cellule est dopée avec des atomes de bore qui ont 3 électrons (1 de moins que le silicium). On parle de dopage positif en raison du déficit d’électrons ainsi créé.
Lorsque la première couche est mise en contact avec la seconde. Les électrons en excès dans le matériau dopé N se dirigent naturellement vers le matériau dopé P.
Quand un photon arrache un électron, libérant l’électron et formant un trou, sous l’effet de ce champ électrique ils partent chacun à l’opposé. Les électrons s’accumulent dans la région N (qui devient le pôle négatif), tandis que les trous s’accumulent dans la couche dopée P (qui devient le pôle positif). Ce déplacement d’électrons n’est autre que de l’électricité.
Cette vidéo très ludique d’On est pas sorcier explique très bien le phénomène :
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Pour poursuivre votre lecture, nous vous invitons à lire notre article : Calculer la production solaire photovoltaïque
