I Le fonctionnement

Cette partie vise à expliquer comment fonctionne un certain type de panneaux solaires. En effet il existe différents moyens de recueillir l'énergie solaire mais nous nous intéresserons à la technique le plus utilisée, car le but ici n'est pas de faire une liste exhaustive des technologies existantes mais d'appuyer notre démonstration qui se prolongera dans le seconde partie.

Les panneaux solaires dont nous allons parler sont constitués d’un ensemble de cellules photovoltaïques.
Grâce à ces cellules, la lumière provenant du soleil peut être transformée en électricité.
Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière, génère une tension électrique continue.

(Source : sharp.fr)

1. Le principe

Le principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque au silicium consiste à combiner trois phénomènes physiques:

l'absorption de la lumière dans le matériau,
le transfert de l'énergie lumineuse aux électrons
la collecte des charges.

2. L'absorption de la lumière

La lumière est composée d'ondes électromagnétiques, ce sont en fait des particules sans masses appelées photons mais se comportant comme des ondes. La lumière peut pénétrer certaines matières, et même passer au travers.
En général, un rayon lumineux qui arrive sur un solide peut subir principalement trois phénomènes optiques qui sont :

la réflexion
la réfraction
l'absorption

Comme nous voulons absorber au maximum la lumière du soleil, il est impératif que les matériaux du panneau solaire remplissent certaines conditions: afin de limiter la réflexion, les panneaux sont toujours de couleur sombre, le noir étant la couleur qui absorbe le plus la lumière.
Les cellules pour des raisons de protection, ne peuvent pas être exposées directement à la lumière. Elles sont recouvertes d'un matériau protecteur, qui doit être résistant et le plus transparent possible, on utilise donc généralement du verre. Le spectre de la lumière solaire est un spectre quasi continu, seules certaines raies sont absorbées par les milieux que traverse la lumière avant de nous parvenir.
Certaines cellules reposent sur l’utilisation de plusieurs couches de matériaux différents. Chaque couche est conçue pour absorber une bande de longueur d'onde particulière, permettant d’absorber un maximum d'énergie et de limiter les pertes.
La puissance électrique fournie au récepteur dépend de l'intensité de l'ensoleillement. Elle est donc nul la nuit et à son maximum quand le soleil est au zénith.

3. Le transfert d'énergie des photons aux électrons

Les particules élémentaires qui vont produire le courant électrique, à la lumière, sont les électrons, de charge 1.6x10^-19 C.
Ce sont les électrons des couches électroniques périphériques qui vont absorber l'énergie des photons, ce qui les libères de l'attraction électrostatique (et gravitationnelle) du noyau de l'atome.
L'énergie d'un photon d'un certain rayonnement est donnée par une relation simple puisqu'elle est proportionnelle à la fréquence du rayonnement utilisée. La constante universelle qui lie ces deux grandeurs est " h ", la constante de Planck.
La constante de Planck a pour unité la fraction de l’énergie sur un temps, c’est-à-dire le Joule-seconde (J.s). Sa valeur, dans le système international d'unités, est : h = 6,6261.10^-34 J.s.
On a donc la formule: E = h . f
L’effet photoélectrique est donc l'émission d’électrons par un métal quand il est exposé à des radiations lumineuses, on doit son explication à Einstein, lui-même inspiré par Maxwell. Les électrons libérés sont en suite susceptibles de produire un courant électrique.

4. La collecte des charges

A Les semi conducteurs

La conductivité électrique désigne la capacité d'un corps à conduire un courant électrique lorsqu'une tension lui est appliquée.
On peut classer les matériaux selon trois types:

les isolants, comme le verre qui ne conduisent pas le courant
les conducteurs, principalement les métaux, qui conduisent le courant
les semi-conducteurs dont la conductance varie en fonction de facteurs

Un matériau semi conducteur est un matériau à l'état solide ou liquide, qui conduit l'électricité à température ambiante, mais moins aisément qu'un métal conducteur.
Exemples de semi conducteurs:

Silicium
Germanium
Arséniure de gallium

Aux basses températures, les semi-conducteurs purs se conduisent comme des isolants.
Aux hautes températures, ou en présence d'impuretés ou de lumière, la conductivité des semi-conducteurs s'accroît fortement, pouvant même devenir comparable à celle des métaux. Le courant passe donc.
L'accroissement de la conductivité en fonction de la température, de la lumière ou des impuretés s'explique par une augmentation du nombre des électrons de conduction, qui transportent le courant électrique. Dans un semi-conducteur pur tel que le silicium (le plus fréquemment utilisé), les électrons périphériques d'un atome sont mis en commun avec les atomes voisins pour établir des liaisons covalentes qui assurent la cohésion du cristal. Ces électrons périphériques (électrons de valence ou électrons de la couche externe), ne sont pas libres de transporter le courant électrique. Pour produire des électrons de conduction, on expose à la température ou à la lumière les électrons périphériques, afin de rompre les liaisons covalentes : les électrons sont alors mobiles.
Les défauts ainsi créés, appelés « trous » ou « lacunes », participent au flux électrique. Ces trous sont porteurs d'électricité positive et expliquent l'augmentation de la conductivité électrique des semi-conducteurs avec la température.
Les cellules sont constituées de matériaux semi-conducteurs, le silicium est le plus employé. Même si l'arséniure de gallium offre les meilleures performances, il reste beaucoup plus onéreux.

B Le dopage

Dans un semi-conducteur pur le nombre de porteurs étant faible à température ordinaire, la conductivité est médiocre. Le silicium est traité d'une certaine manière, on dit dopé, cette technique permet au silicium de jouer le rôle d'une diode, c'est-à-dire que les électrons ne pourront "passer" que dans un unique sens.
La technique de dopage d'un semi-conducteur consiste à lui ajouter des impuretés, c'est-àdire des éléments ayant un nombre différent d'électrons de valence. Les électrons porteurs de charge, générés par la lumière du soleil, sont partiellement perdus dans le volume du silicium à cause de la présence d'impuretés résiduelles (atomes de fer, titane…). Les chercheurs développent donc des procédés permettant de piéger ces atomes dans des zones inactives.

l'ajout de phosphore (cinq électrons de valence - (K)2 (L)8 (M)5 ) au silicium (quatre électrons de valence - (K)2 (L)8 (M)4 ) se traduit par un excès d'électrons dans le réseau : cette association forme alors un semi-conducteur de type N (conduction assurée par des charges négatives).

l’ajout d'aluminium (trois électrons de valence - (K)2 (L)8 (M)3 ) au silicium se traduit par un défaut d'électrons formant des trous dans le réseau: il s'agit alors d'un semi-conducteur de type P (conduction assurée par des charges positives).

Le dopage est un moyen d'augmenter la conductivité électrique du corps. Les atomes du matériau de dopage, ou dopant (donneurs ou accepteurs d'électrons), et ceux de l'hôte ont un nombre différent d'électrons périphériques. Le dopage produit ainsi des particules électriques chargées positivement (type P) ou négativement (type N).

Chaque atome de silicium dispose de quatre électrons périphériques (représentés par des points). Deux électrons (un par atome) sont nécessaires pour former une liaison covalente entre deux atomes.

(Source : supinfo-projects.com)

dans le silicium de type N, des atomes de phosphore (P) à cinq électrons périphériques remplacent des atomes de silicium : ils offrent donc des électrons (des charges négatives) supplémentaires (un par atome de phosphore).

dans le silicium de type P, des atomes d'aluminium (Al) avec trois électrons périphériques entraînent un défaut d'électrons (création de charges positives) et engendrent la formation de trous (un par atome d'aluminium). Les électrons en excès ou les trous conduisent l'électricité. Lorsque des zones de semi-conducteurs de type P et de type N sont adjacentes, elles forment une diode ; la zone de contact est appelée jonction P-N.

(Source : canal-u.fr)

La photopile est donc composée de matériaux semi-conducteurs dopés P (manque d'électrons) et N (excès d'électrons) dont la jonction de type P-N permet aux électrons excédentaires de la zone N de traverser la jonction et d'occuper les trous de la zone P. Ainsi, lorsque la lumière frappe la surface (dopée N) d'une cellule photovoltaïque, les photons constituant cette lumière communiquent leur énergie aux atomes du matériau en libérant les électrons des atomes qui génèrent ainsi des charges N (les électrons) et des charges P (les trous).
Or le déplacement d'électrons, créé par l'énergie des photons, est synonyme de production d'électricité. Une tension se crée alors en présence de lumière aux bornes de la cellule. Si l'on ferme le circuit à l'aide de n'importe quel dipôle telle une lampe, le courant circule dans le circuit. Il est important de noter que la tension est presque constante tandis que l'intensité varie proportionnellement à la quantité de lumière reçue.

5. Structure des panneaux

On peut recouvrir le dessous de la cellule avec un métal très bon conducteur qui doit aussi ne pas subir des phénomènes de corrosion ; mais si on recouvrait le dessus, on bloquerait les photons. La solution trouvée est de placer une grille métallique sur le dessus de la cellule. Aussi, le silicium est très réflecteur, on place donc un revêtement anti-réflexion sur le dessus de la cellule. Son rôle est de capter le maximum de soleil.
Une couche de verre protège la cellule. L'épaisseur totale de la cellule est de l'ordre du millimètre.
Les couvertures de protection sont indispensables, la cellule photovoltaïque étant très fragile. Le coeur de la cellule est composée d'une couche semi-conductrice dopée N en contact avec une autre couche dopée P. Pour obtenir une puissance suffisante, les cellules sont reliées entre elles et constituent le panneau solaire.