Principes PV
 
L'effet photovoltaïque
 
Principes de l'effet photovoltaïque  


le soleil

L'énergie solaire photovoltaïque se base sur la conversion directe du rayonnement solaire en électricité [l'effet photovoltaïque], grâce à des modules [ou panneaux] solaires photovoltaïques [cas le plus répendu].

Ces modules rassemblent, dans un cadre métallique, plusieurs cellules photovoltaïques reliées entre elles afin d'additionner leurs puissances de production d'énergie électrique.

Cette énergie produite par l'effet photovoltaïque résulte de la conversion directe -dans un semi-conducteur- d'un photon en électron. Le module photovoltaïque convertit donc sur place et très simplement l'énergie solaire qu'il reçoit en courant électrique continu. Ce courant électrique continu est ensuite converti en courant électrique alternatif [identique à celui délivré par les fournisseurs d'énergie tels que EDF].

Fonctionnement détaillé Les cellules Les modules

 

Soleil et photons  

Le coeur du soleil est la seule partie qui produise une quantité notable de chaleur par fusion : le reste de l'étoile tire sa chaleur uniquement de l'énergie qui en provient. La totalité de l'énergie qui y est produite doit traverser de nombreuses couches successives jusqu'à la photosphère, avant de s'échapper dans l'espace sous forme de rayonnement solaire ou de flux de particules.

Les photons de haute énergie (rayons X et gamma) libérés lors des réactions de fusion mettent un temps considérable pour atteindre la surface du Soleil, ralentis par l'interaction avec la matière et par le phénomène permanent d'absorption et de réémission à plus basse énergie dans le manteau solaire. On estime que le temps de transit d'un photon du coeur à la surface se situe entre 17 000 et 50 millions d'années. Après avoir traversé la couche de convection et atteint la photosphère, les photons s'échappent dans l'espace, en grande partie sous forme de lumière visible. Chaque rayon gamma produit au centre du Soleil est finalement transformé en plusieurs millions de photons lumineux avant de s'échapper dans l'espace.

La lumière du soleil est l'énergie la mieux répartie sur terre, la ressource est illimitée. L'énergie solaire est disponible partout sur notre planète.

atlas solaire mondial

La somme des 6 points de l'atlas représente à elle seule 18 TWc
(terra Watt crête)

La quantité d’énergie lumineuse que fournie le soleil à notre terre couvre dix mille fois le besoin en énergie nécessaire pour alimenter tous les habitants de la planète.

L’énergie solaire est disponible partout sur terre. Chaque mètre carré reçoit en moyenne 2 à 3 kWh par jour en Europe du Nord, 4 à 6 kWh par jour en région PACA ou entre les tropiques.

La ressource est abondante : 5% des déserts suffiraient pour alimenter notre planète...


Fonctionnement détaillé de l'effet photovoltaïque [cellule de 1ère génération]


l'effet photovoltaïque



Il peut être illustré par l'exemple suivant, qui présente le cas d'une cellule au silicium :

La couche supérieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément de valence supérieure dans la classification périodique, c'est à dire qui possède plus d'électrons sur sa couche de valence que le silicium. Le silicium possède 4 électrons sur sa couche de valence : on peut donc utiliser des éléments de la colonne de l'oxygène, par exemple le Phosphore P. Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d'électrons supérieure à une couche de silicium pur. Il s'agit d'un semi-conducteur de type N.


La couche inférieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément de valence inférieure au silicium. Il peut s'agir de Bore B. Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d'électrons inférieure une couche de silicium pur. Il s'agit d'un semi-conducteur de type P.


Lorsqu'on met ces deux semi-conducteur en contact (de manière à ce qu'il puisse y avoir conduction), on crée une jonction PN, qui doit permettre le passage des électrons entre les deux plaques. Cependant, dans le cas d'une cellule photovoltaïque, le gap du semi-conducteur de type N est calculé de manière à ce que le courant ne puisse pas s'établir seul : il faut qu'il y ait un apport d'énergie, sous forme d'un photon de lumière, pour qu'un électron de la couche N soit arraché et vienne se placer dans la couche P, créant ainsi une modification de la répartition de la charge globale dans l'édifice.

Les photons

Deux électrodes sont placées, l'une au niveau de la couche supérieure et l'autre au niveau de la couche inférieure : une différence de potentiel électronique et un courant électrique sont créés.


Historique

Découvert en 1839 par Henri Becquerel, l'effet photovoltaïque permet la transformation de l'énergie lumineuse en électricité. Ce principe repose sur la technologie des semi-conducteurs. Il consiste à utiliser les photons pour libérer des électrons et créer une différence de potentiel entre les bornes de la cellule, qui génère un courant électrique continu.

A la différence des autres énergies renouvelables, l'énergie solaire est disponible partout sur la Terre. L'Europe reçoit en moyenne chaque jour 3kWh par mètre carré, même si les déserts les plus ensoleillés recueillent 7kWh. Il n'y a donc pas de problème de gisement pour cette source.

En 1875, le physicien Werner Von Siemens expose devant l’Académie des Sciences de Berlin un article sur l’effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs. Malheureusement, le phénomène est encore considéré comme anecdotique jusqu’à la Seconde Guerre Mondiale. Les premières vraies cellules sont apparues en 1930 avec les cellules à oxyde cuivreux puis au sélénium.

Ce n’est qu’en 1954 que trois chercheurs américains, Chapin, Pearson et Prince mettent au point une cellule photovoltaïque. On entrevoit alors la possibilité de fournir de l’électricité grâce à ces cellules. Au même moment, l’industrie spatiale naissante cherche de nouvelles solutions pour alimenter ses satellites.

En 1958, une cellule avec un rendement de 9% est mise au point et en même temps, les premiers satellites avec panneau solaires sont envoyés dans l’espace. Par la suite, l'industrie spatiale, à la recherche du meilleur moyen pour alimenter ses satellites, va permettre le développement de la technologie photovoltaïque.

Au cours des années 80, la technologie photovoltaïque terrestre a progressé régulièrement par la mise en place de plusieurs centrales de quelques mégawatts, et est même devenue familière à des consommateurs à travers de nombreux produits de faible puissance y faisant appel : montres, calculatrices, balises radio et météorologiques, pompes et même réfrigérateurs solaires.

De nos jours, la nécessité d'une énergie respectueuse de l'environnement a permis aux panneaux photovoltaïques de devenir une alternative plus que crédible pour produire de l'électricité.

 



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