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L'effet photovoltaïque

Principe de l'effet photovoltaïque

L’effet photovoltaïque est un phénomène physique propre à certains matériaux appelés semi-conducteurs qui produisent de l'électricité lorsqu'ils sont exposés à la lumière.

Le plus connu d’entre eux est le silicium cristallin qui est utilisé aujourd'hui par 90% des panneaux produits dans le monde, mais il existe de nombreuses autres technologies déjà industrialisées, comme les couches minces, ou en phase de recherche.

Sensibilité spectrale

Le photon est la particule élémentaire du rayonnement électromagnétique. Le rayonnement électromagnétique comprend aussi bien la lumière visible que les ondes radios ou les rayons X et sa particule élémentaire est le photon. Le photon peut avoir des énergies très différentes. A chaque énergie qu'il peut prendre est reliée une longueur d'onde qui lui est inversement proportionnelle. L'ensemble des longueurs d'ondes du rayonnement électromagnétique permet de définir le spectre électromagnétique.

Spectre électromagnétique

On appelle le domaine du visible la partie du spectre à laquelle nos yeux sont sensibles, entre 300 nanomètres (nm) -violet- et 800 nm -rouge-. Ou autrement dit entre 0,3 micromètre (μm ou micron : 10-6 ) et 0,8 μm. Le rayonnement solaire émet un rayonnement dont la longueur d'onde s'étend de l'ultraviolet (0,2 μm) à l'infrarouge lointain (2,5 μm). La majorité des photons qu'émet le soleil se situent dans le visible, autour d'un pic à 0,5 μm, soit 500 nanomètres (nm), c'est à dire dans le jaune-vert.

Spectre solaire énergétique normalisé à 100 mW/cm2
L’effet photovoltaïque

 

1 - Les "grains de lumière"- les photons - heurtent la surface du matériau photovoltaïque disposé en cellules ou en couche mince.

2 - Ils transfèrent leur énergie aux électrons qui gravitent autour des atomes dont est formé le matériau. C'est l'effet photoélectrique. Du fait de l'énergie qu'ils gagnent, les électrons "s'excitent". Ils reviennent généralement à l'état d'équilibre - leur niveau initial - en libérant l'énergie des photons sous forme de chaleur : le matériau chauffe au soleil.

3 - Mais il est aussi possible de récupérer cette énergie sous forme électrique. L'électron excité forme avec le « trou » qu'il laisse au niveau inférieur une paire « électron-trou ». Les électrons et les trous sont des charges de signes opposés (-q ; +q). Les cellules photovoltaïques sont des jonctions PN, faites en associant un semi-conducteur de type n avec un semi-conducteur de type p, comme le silicium dopé phosphore et le silicium dopé bore. Soumises à un champ électrique dans une jonction PN branchée sur un circuit extérieur, les paires électrons-trou vont se séparer et les électrons excités vont se mettre en mouvement dans une direction particulière : un courant électrique est créé.

4 - Le courant électrique continu qui se crée est alors recueilli par des fils métalliques très fins connectés les uns aux autres et acheminé à la cellule suivante.

5 - Le courant s'additionne en passant d'une cellule à l'autre jusqu'aux bornes de connexion du panneau et il peut ensuite s'additionner à celui des autres panneaux raccordés en "champs".

Le principe est développé plus en détail dans le document « La conversion photovoltaïque de l'énergie solaire » disponible en cliquant sur le lien en bas de page.

Dernière Mise à jour : 09/09/2019

Une cellule photovoltaïque n'absorbe pas l'ensemble du rayonnement émis par le soleil. Tout comme l'oeil humain n'est sensible qu'à une partie du spectre électromagnétique, la cellule n'est sensible qu'à une partie du rayonnement solaire, avec des différences notables suivant les technologies utilisées. Le schéma suivant représente les courbes de réponse spectrale de l'oeil humain, d'une photopile au silicium amorphe et d'une photopile au silicium cristallin, dont le maximum de sensibilité est fortement décalé par rapport aux deux premiers.

Courbes de réponses spectrales comparées de l'oeil humain, d'une photopile au silicium cristallin et au silicium amorphe
Dernière Mise à jour : 09/09/2019
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L'effet photovoltaïque

Principe de l'effet photovoltaïque

L’effet photovoltaïque est un phénomène physique propre à certains matériaux appelés semi-conducteurs qui produisent de l'électricité lorsqu'ils sont exposés à la lumière.

Le plus connu d’entre eux est le silicium cristallin qui est utilisé aujourd'hui par 90% des panneaux produits dans le monde, mais il existe de nombreuses autres technologies déjà industrialisées, comme les couches minces, ou en phase de recherche.

L’effet photovoltaïque

 

1 - Les "grains de lumière"- les photons - heurtent la surface du matériau photovoltaïque disposé en cellules ou en couche mince.

2 - Ils transfèrent leur énergie aux électrons qui gravitent autour des atomes dont est formé le matériau. C'est l'effet photoélectrique. Du fait de l'énergie qu'ils gagnent, les électrons "s'excitent". Ils reviennent généralement à l'état d'équilibre - leur niveau initial - en libérant l'énergie des photons sous forme de chaleur : le matériau chauffe au soleil.

3 - Mais il est aussi possible de récupérer cette énergie sous forme électrique. L'électron excité forme avec le « trou » qu'il laisse au niveau inférieur une paire « électron-trou ». Les électrons et les trous sont des charges de signes opposés (-q ; +q). Les cellules photovoltaïques sont des jonctions PN, faites en associant un semi-conducteur de type n avec un semi-conducteur de type p, comme le silicium dopé phosphore et le silicium dopé bore. Soumises à un champ électrique dans une jonction PN branchée sur un circuit extérieur, les paires électrons-trou vont se séparer et les électrons excités vont se mettre en mouvement dans une direction particulière : un courant électrique est créé.

4 - Le courant électrique continu qui se crée est alors recueilli par des fils métalliques très fins connectés les uns aux autres et acheminé à la cellule suivante.

5 - Le courant s'additionne en passant d'une cellule à l'autre jusqu'aux bornes de connexion du panneau et il peut ensuite s'additionner à celui des autres panneaux raccordés en "champs".

Le principe est développé plus en détail dans le document « La conversion photovoltaïque de l'énergie solaire » disponible en cliquant sur le lien en bas de page.

Sensibilité spectrale

Le photon est la particule élémentaire du rayonnement électromagnétique. Le rayonnement électromagnétique comprend aussi bien la lumière visible que les ondes radios ou les rayons X et sa particule élémentaire est le photon. Le photon peut avoir des énergies très différentes. A chaque énergie qu'il peut prendre est reliée une longueur d'onde qui lui est inversement proportionnelle. L'ensemble des longueurs d'ondes du rayonnement électromagnétique permet de définir le spectre électromagnétique.

Spectre électromagnétique

On appelle le domaine du visible la partie du spectre à laquelle nos yeux sont sensibles, entre 300 nanomètres (nm) -violet- et 800 nm -rouge-. Ou autrement dit entre 0,3 micromètre (μm ou micron : 10-6 ) et 0,8 μm. Le rayonnement solaire émet un rayonnement dont la longueur d'onde s'étend de l'ultraviolet (0,2 μm) à l'infrarouge lointain (2,5 μm). La majorité des photons qu'émet le soleil se situent dans le visible, autour d'un pic à 0,5 μm, soit 500 nanomètres (nm), c'est à dire dans le jaune-vert.

Spectre solaire énergétique normalisé à 100 mW/cm2

Une cellule photovoltaïque n'absorbe pas l'ensemble du rayonnement émis par le soleil. Tout comme l'oeil humain n'est sensible qu'à une partie du spectre électromagnétique, la cellule n'est sensible qu'à une partie du rayonnement solaire, avec des différences notables suivant les technologies utilisées. Le schéma suivant représente les courbes de réponse spectrale de l'oeil humain, d'une photopile au silicium amorphe et d'une photopile au silicium cristallin, dont le maximum de sensibilité est fortement décalé par rapport aux deux premiers.

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Publications

La conversion photovoltaïque de l'énergie solaire - CNRS - 2007 (lien externe) consulter

A voir également

Chapitre | Réaliser une installation
Les panneaux photovoltaïques