Le photovoltaïque convertit les photons en électrons
Les cellules photovoltaïques, ou PV en abrégé, sont des objets magiques qui convertissent l’énergie lumineuse, généralement du soleil, en énergie électrique. Les cellules solaires sont fabriquées à partir de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium (Si), le deuxième matériau le plus abondant au monde après l’oxygène, qui est utilisé pour convertir la lumière du soleil en électricité, car le photovoltaïque transforme les photons en électrons.
Ce processus de conversion, aussi efficace soit-il, ne produit aucun déchet nocif ni émission dans l’environnement, ce qui en fait une source d’énergie propre, verte et efficace. Ensuite, une cellule photovoltaïque, également appelée «cellule solaire», est un dispositif à semi-conducteur qui génère de l’électricité en courant continu lorsque la lumière tombe dessus.
Le photovoltaïque transforme les photons en électrons par ce qu’on appelle l’effet « photovoltaïque », (photo signifiant lumière, et voltaïque signifiant électricité). Dans l’effet photovoltaïque, les rayons de photons de la lumière du soleil frappent la surface du matériau semi-conducteur au silicium, libérant des électrons libres des atomes du matériau. Il existe une variété de matériaux différents à partir desquels une cellule solaire peut être fabriquée et tous convertissent le rayonnement solaire en électricité à courant continu (CC).
La cellule solaire photovoltaïque est généralement fabriquée à partir de cristaux de silicium modifiés tels que le silicium cristallin et amorphe, ou d’autres matériaux semi-conducteurs, qui absorbent et convertissent la lumière du soleil en électricité.
Certains produits chimiques “dopants” sont ajoutés à la composition de silicium pour aider à établir un chemin pour le passage des électrons libérés. Cela crée un flux d’électrons appelé courant continu.
Les semi-conducteurs sont des matériaux non métalliques, tels que le germanium et le silicium, dont la caractéristique de cellule solaire se situe quelque part entre celles d’un conducteur, qui offre très peu de résistance au passage du courant électrique, et d’un isolant, qui bloque le passage du courant électrique presque complètement. D’où le terme “semi-conducteur”.
Le matériau à base de silicium est appelé semi-conducteur, car le dispositif ne conduit les électrons que dans une seule direction, du négatif au positif.
Le silicium cristallin a été le principal matériau utilisé pour fabriquer des cellules solaires photovoltaïques au cours des dernières décennies, le silicium polycristallin et le silicium amorphe ouvrant la voie. L’augmentation récente de l’intérêt pour l’énergie solaire domestique et les cellules photovoltaïques a fait progresser considérablement la technologie solaire à couches minces, le tellurure de cadmium et le sulfure de cuivre et d’indium étant désormais utilisés dans les applications d’énergie renouvelable domestiques.
Les cellules photovoltaïques consistent essentiellement en une jonction entre deux couches minces de matériaux semi-conducteurs dissemblables. Une couche de silicium est traitée avec une substance pour créer un excès d’électrons. Cela devient la couche semi-conductrice négative ou de type “N”. L’autre couche est traitée pour créer un déficit d’électrons et devient la couche semi-conductrice positive ou de type “P”.
Les semi-conducteurs de type N sont fabriqués à partir de silicium cristallin qui a été “dopé” avec de minuscules quantités d’un atome d’impureté (généralement du phosphore) de telle sorte que le matériau dopé possède un surplus d’électrons libres, d’où le terme semi-conducteur de type négatif. Les semi-conducteurs de type P sont également fabriqués à partir de silicium cristallin, mais sont dopés avec de très petites quantités d’un atome d’impureté différent (généralement du bore), ce qui entraîne un déficit d’électrons libres dans le matériau.
Ces électrons “manquants” dans le réseau semi-conducteur sont affectueusement appelés “trous” et puisque l’absence d’un électron chargé négativement peut être considérée comme équivalente à une particule chargée positivement, le silicium dopé de cette manière est connu comme un semi-conducteur de type positif.
Lorsque ces matériaux semi-conducteurs dissemblables sont assemblés avec des conducteurs, l’agencement devient un semi-conducteur à jonction PN sensible à la lumière qui établit un champ électrique dans la région de la jonction et que nous appelons communément une cellule solaire photovoltaïque. Ainsi, lorsque des cellules solaires ou PV similaires sont combinées dans des panneaux solaires, il en résulte une capacité de production d’électricité beaucoup plus élevée.
Alors, comment une cellule photovoltaïque transforme les photons en électrons?
La lumière du soleil agissant comme un combustible transporte de l’énergie dans la cellule photovoltaïque. Lorsqu’une particule photonique de la lumière solaire frappe la surface de la cellule solaire en silicium ou des structures dopées constituées de silicium-phosphore ou de silicium-bore, les photons de la lumière solaire absorbée se détachent et délogent les électrons des atomes de silicium de la cellule transférant de l’énergie et les excitent. Cette excitation des électrons les fait se libérer de leur atome parent et se déplace vers un niveau de valence plus élevé. Comme des milliards de photons frappent la cellule chaque seconde, de nombreux électrons sont libérés.
Finalement, l’électron excité est expulsé de l’atome, ce qui lui permet de se déplacer librement autour du matériau semi-conducteur. Comme un côté de la jonction PN a un “manque d’électrons” (trous) tandis que l’autre côté de la jonction a un “excès d’électrons”, ces électrons libres se déplacent à travers la jonction, créant et remplissant des trous dans la cellule. C’est ce mouvement d’électrons et de trous qui génère de l’électricité et tant qu’il y a de la lumière frappant la cellule, il y aura des électrons sortant de la cellule. Le processus physique par lequel une cellule PV convertit la lumière du soleil en électricité est connu sous le nom d’ effet photovoltaïque .
Les électrons libérés par l’interaction de la lumière du soleil avec le matériau semi-conducteur créent un flux d’électrons lorsque les électrons libres se déplacent ensemble autour d’un circuit externe. La production d’énergie électrique nécessite à la fois de la tension et du courant. Ainsi, pour produire de l’énergie, la cellule PV doit générer une tension ainsi que le courant fourni par le flux d’électrons.
La tension des cellules est fournie par le champ électrique interne créé par la jonction PN qui peut être considérée comme une petite batterie produisant une tension de sortie fixe d’environ 0,5 à 0,6 volts.
Une seule cellule PV au silicium produit généralement un courant électrique d’environ 3 ampères, avec une seule cellule solaire photovoltaïque produisant jusqu’à 1,5 watts de puissance. Selon les matériaux semi-conducteurs utilisés, certaines cellules PV peuvent produire plus de puissance que cela, et d’autres moins. Ainsi, 36 cellules connectées ensemble en série ont suffisamment de tension et de puissance pour charger des batteries de 12 volts ou faire fonctionner des pompes et des moteurs.
La lumière du soleil est propre, facile à exploiter et disponible dans le monde entier, et comme elle provient du soleil, elle continuera d’être librement disponible pendant les millions d’années à venir. L’énergie solaire est propre, verte et efficace et avec les panneaux solaires efficaces d’aujourd’hui ou les cellules photovoltaïques facilement disponibles sur le marché, les propriétaires de maison peuvent avoir de l’énergie gratuite et propre pendant de nombreuses années le seul coût impliqué étant le coût d’un panneau solaire lui-même, faisant de l’énergie solaire un choix idéal dans le cadre d’un système d’énergie renouvelable domestique.
Les cellules photovoltaïques convertissent un type d’énergie (lumière du soleil) en un autre (flux d’électrons).
La conversion de la lumière du soleil en électricité est également très respectueuse de l’environnement, car elle ne produit ni pollution ni déchets, ce qui la rend idéale pour un avenir plus vert.
Le photovoltaïque est très modulaire : Vous pouvez installer un système PV aussi petit ou aussi grand que vous le souhaitez. Les cellules photovoltaïques les plus simples alimentent des montres et des calculatrices, tandis que des panneaux et des panneaux solaires plus complexes et plus grands peuvent être utilisés pour éclairer les maisons et alimenter le réseau électrique.
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