Solaire photovoltaïque

Définition et catégories

Le terme « photovoltaïque » peut désigner le phénomène physique (l’effet photovoltaïque découvert par Alexandre Edmond Becquerel en 1839) ou la technique associée. L’énergie solaire photovoltaïque est l’électricité produite par transformation d’une partie du rayonnement solaire au moyen d’une cellule photovoltaïque. Schématiquement, un photon de lumière incidente permet sous certaines circonstances de mettre en mouvement un électron, produisant ainsi un courant électrique.

Les cellules photovoltaïques sont fabriquées avec des matériaux semi-conducteurs produits à partir d’une matière première très pure, comme le silicium. Ces matériaux émettent des électrons lorsqu’ils sont soumis à l’action de la lumière. Ceux-ci sont éjectés du matériau et ils circulent dans un circuit fermé, produisant ainsi de l’électricité.

Ce processus ne nécessite aucun cycle thermodynamique intermédiaire, c’est-à-dire que le rayonnement est directement converti en électricité sans utilisation intermédiaire de la chaleur (contrairement au solaire thermodynamique)

solaire photovoltaïque fonctionnement

 Enjeux par rapport à l’énergie

Avantages

L’énergie solaire est, à l’échelle humaine, inépuisable et disponible gratuitement en très grandes quantités. De plus, lors de la phase d’exploitation, la production d’électricité au moyen de panneaux photovoltaïques n’est pas polluante.
Le silicium, matériau utilisé dans les panneaux solaires actuels les plus répandus, est très abondant et n’est pas toxique.
Les panneaux solaires ont une durée de vie de 20 à plus de 30 ans et sont presque intégralement recyclables.
La modularité des panneaux est très importante, c’est-à-dire qu’il est possible de concevoir des installations de tailles diverses dans des environnements très variés. Ceux-ci sont par conséquent adaptés à la production décentralisée d’électricité en sites isolés.
Les panneaux photovoltaïques peuvent être utilisés à des fins domestiques de petite échelle (des toits solaires par exemple) ou à des fins de production énergétique industrielle à grande échelle (par exemple, la ferme solaire de Toul-Rosières en Lorraine).

Fonctionnement scientifique

Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque

Les cellules photovoltaïques exploitent l’effet photoélectrique pour produire du courant continu par absorption du rayonnement solaire. Cet effet permet aux cellules de convertir directement l’énergie lumineuse des photons en électricité par le biais d’un matériau semi-conducteur transportant les charges électriques.

Le matériau semi-conducteur comporte deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit d’électrons. Ces deux parties sont respectivement dites « dopées » de type n et de type p. Le dopage des cristaux de silicium consiste à leur ajouter d’autres atomes pour améliorer la conductivité du matériau.

Un atome de silicium compte 4 électrons périphériques. 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 de type n comme négatif, car les électrons (de charge négative) sont excédentaires. L’autre couche est dopée avec des atomes de bore qui ont 3 électrons (1 de moins que le silicium). On parle de dopage de type p comme positif en raison du déficit d’électrons ainsi créé. Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p.

En traversant la cellule photovoltaïque, les photons arrachent des électrons aux atomes de silicium des deux couches n et p. Les électrons libérés se déplacent alors dans toutes les directions. Après avoir quitté la couche p, les électrons empruntent ensuite un circuit pour retourner à la couche n. Ce déplacement d’électrons n’est autre que de l’électricité.

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