Les cellules photovoltaïques
Constitution d'une cellule photovoltaïque
Une cellule photovoltaïque (ou photopile) est un système qui permet de transformer l'énergie solaire directement en électricité. L'électricité ainsi générée est un courant continu. Pour constituer une cellule photovoltaïque, le silicium a été choisi pour ses propriétés électroniques. En effet, cet atome est caractérisé par la présence de quatre électrons sur sa couche périphérique. Electrons qui lui permettent d'être lié à quatre autres atomes.
Configuration électronique du silicium: (K)2(L) 8(M) 4.
Si un atome de silicium est remplacé par un atome de la colonne V du tableau de Mendeleïev (par exemple le phosphore), c'est-à-dire par un atome qui possède d'avantage d'électrons sur sa couche périphérique que le silicium, un de ces électrons ne participe pas aux liaisons et est donc "libre" de se déplacer. On dit que le semi-conducteur est dopé n (négativement).
Configuration électronique du phosphore : (K) 2(L) 8M) 5.
A l'inverse, si un atome de silicium est remplacé par un atome de la colonne III (par exemple le bore), c'est-à-dire par un atome qui possède moins d'électrons sur sa couche périphérique que le silicium, il manque un électron pour la réalisation des liaisons. Il y a donc formation d'un "trou". Trou qui peut être comblé par un électron. On dit que le semi-conducteur est dopé p (positivement).
Configuration électronique du bore : (K) 2(L) 3.
Les atomes tel que le phosphore et le bore sont appelés des dopants du silicium.
Une cellule photovoltaïque est composée de deux plaques de silicium : une plaque dopée p recouverte d'une seconde dopée n. En mettant en contact ces deux plaques polarisées, on obtient une jonction PN (positive-négative). Le fait de créer une telle jonction, fait apparaître un champ électrique interne.
Il existe différents " types " de silicium qui sont :
- le silicium cristallin : le plus utilisé aujourd'hui puisque les cellules qui en contiennent ont rendement meilleur (13%), et peuvent être adaptées pour des puissances qui vont de quelques centaines de watts à quelques dizaines de kilowatts.
- le silicium amorphe : le rendement obtenu avec celui-ci est de plus de deux fois inférieur à celui du silicium cristallin. Les cellules sont fabriquées à partir de ce type de silicium lorsqu'elles sont destinées à des applications qui nécessitent très peu d'électricité (alimentation des montres, calculatrices…)
Fonctionnement d'une cellule photovoltaïque
Dans une cellule photovoltaïque, lorsqu'un photon (particule de lumière) est absorbé par le semi-conducteur, il donne naissance à un électron et à un "trou".
En effet, ce photon va transmettre son énergie à un électron (particule négative) qui va alors se libérer de l'attraction de son noyau et donc laisser un " trou " (chargé positivement) derrière lui.
Pour obtenir un courant électrique, les charges positives (" trous ") et négatives (électrons) doivent être séparées puis attirées vers l'extérieur. C'est à ce moment qu'intervient le champ électrique interne créé par la jonction PN : c'est lui qui va repousser les électrons dans la zone n et donc séparer les charges.
Les porteurs de charges sont, ensuite, collectés par l'intermédiaire d'une grille, qui fait office d'anode, à l'avant et un contact, qui fait office de cathode, à l'arrière. On obtient alors un courant électrique continu d'environ 0,5 V entre ces électrodes.
Donc, tant que la cellule est exposée à la lumière, elle absorbe des photons qui assurent le déroulement continuel de l'opération.
Voir une animation du fonctionnement
Module photovoltaïque
Un module photovoltaïque est un ensemble de cellules photovoltaïques mises en série puis encapsulées entre une plaque de verre à l'avant et un autre matériau étanche à l'arrière.
Les cellules photovoltaïques sont ainsi protégées de l'humidité et des chocs.
Une cellule photovoltaïque produit une tension d'environ 0,5 Volts.
C'est pourquoi elles sont mises en module qui permet alors de fournir une tension et une puissance satisfaisante pour alimenter les récepteurs.
Ces modules nécessitent très peu d'entretient. En effet, il suffit juste de contrôler l'état général de l'installation, de nettoyer à l'eau claire si la pluie ne suffit pas, de vérifier l'état de charge des batteries de stockage et d'entretenir les abords de l'installation.
Un module photovoltaïque a une durée de vie d'environ 30 ans.
Composition d'une installation
En site isolé
Cliquez sur l'image pour voir l'animation.
Attention : Une erreur s'est glissée dans la légende de l'animation. Il faut lire :
courant continu
courant alternatif
Ce type d'installation répondrait donc aux besoins d'un site isolé. En effet, les modules photovoltaïques apportent de l'énergie qui peut :
- Etre stockée dans des batteries
- Etre transformée en courant alternatif grâce à un onduleur puis utilisée
- Etre utilisée en restant en courant continu.
Un groupe électrogène est présent pour pallier un manque d'énergie ou pour alimenter un gros outillage éventuel.
Raccordée au réseau
Cette installation permet la production d'énergie, par le biais des modules photovoltaïques, qui sera injectée dans le réseau électrique public après avoir été transformée en courant alternatif par un onduleur. Avec ce type d'installation deux choix sont possibles :
- Le particulier peut consommer ce qu'il produit grâce aux modules photovoltaïques après transformation en courant alternatif par un onduleur et se servir du réseau électrique public comme d'un générateur d'appoint.
- Tout ce qui est produit est injecté dans le circuit électrique public.
Recherches par Van Ooteghem Claire, Willot Florian et Letalle Valentin
Site créé par Letalle Valentin