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De la lumière à l'électricité

De la lumière à l'électricité

la Découverte de l'effet photovoltaïque

Le terme « photovoltaïque » est composé du mot de grec ancien « photos » (φωτoς : lumière, clarté) et du nom de famille du physicien italien (Allessandro Volta) qui inventa la pile électrique en 1800 et donna son nom à l’unité de mesure de la tension électrique, le volt.

L’effet photovoltaïque, découvert en 1839 par le français Antoine-César Becquerel, désigne la capacité que possèdent certains matériaux, notamment les semi-conducteurs, à convertir directement les différentes composantes de la lumière du soleil (et non sa chaleur) en électricité.

Antoine-César Becquerel (1788 - 1878)Portrait d'Antoine-César Becquerel

 

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/cm2Source : R.Hulstrom, R. Bird, C.Riordan, Solar cells, Vol. 15, p.365 1985

Les avantages de la production d'électricité à partir de l'effet photovoltaïque

L’effet photovoltaïque représente ainsi la seule alternative existante à la production d’électricité à partir de la force mécanique, puisque toutes les autres techniques sans exception, renouvelables ou non, font appel à des génératrices tournantes (alternateurs ou dynamos) qui peuvent être actionnées de diverses manières : vapeur, vent, force de l’eau, courants marins, …

Outre cette spécificité qui le distingue très nettement des autres techniques, le photovoltaïque possède de nombreuses qualités qui présentent autant d’avantages :

  • Aucune nuisance ni impact sur l'environnement immédiat :

Basé sur un phénomène physique imperceptible, son fonctionnement n’occasionne strictement aucune nuisance ou impact sur l’environnement immédiat : ni mouvement, ni bruit, ni odeur, ni émission quelconque.

  • Une très grande fiabilité :

Le fonctionnement d’un système photovoltaïque ne fait appel à aucune pièce en mouvement, le risque de panne ou d’accident est donc quasiment nul et le niveau de fiabilité très élevé.

  • Une garantie de rendement à long terme :

Les caractéristiques physiques des matériaux photovoltaïques ne s’altèrent pas dans le temps, et la baisse de rendement des panneaux, que l’on peut éventuellement observer et qui est due essentiellement aux imperfections mineures de fabrication, est très lente et très limitée, ce qui permet aux fabricants d’apporter une garantie de rendement pouvant aller jusqu’à 30 ans.

  • Un bilan économique prévisible et sans surprise :

Hormis le coût d’investissement, l’accès à la ressource énergétique primaire est totalement libre et gratuit, puisqu’il s’agit de la lumière du soleil, et comme les besoins d’entretien et de maintenance sont très réduits (ils concernent essentiellement l’électronique de régulation et de connexion), le bilan économique est prévisible avec un haut degré de certitude.

  • Une technologie universelle :

L’alternance jour/nuit étant un phénomène universel, même si sa répartition temporelle peut être très différente selon les lieux, le photovoltaïque peut fonctionner en tout point du globe terrestre avec un écart de potentiel annuel allant de 1 à 4 en entre le moins bon et le meilleur site.

  • Une grande flexibilité et diversité d'applications :

La quantité d’énergie récupérable en un lieu donné est directement proportionnelle à la surface exposée à la lumière du soleil, ce qui confère au photovoltaïque un caractère intrinsèquement modulaire et flexible : la surface des capteurs va de quelques cm2 pour l’alimentation d’une calculatrice à plusieurs centaines de milliers de m2 pour les centrales au sol et cette taille peut être modifiée à tout moment par simple ajout (ou retrait) de panneaux, sans même interrompre le fonctionnement de l’installation existante.

Gratuité, innocuité, accessibilité, sécurité, fiabilité, modularité, flexibilité : la conjugaison de ces qualités dont le photovoltaïque dispose fait que ses domaines d’application sont extrêmement divers et peuvent répondre à une grande variété de besoins dans toutes sortes de situations, d’autant plus que les différentes technologies de fabrication des modules qui sont aujourd'hui disponibles et qui le seront demain grâce aux nombreux axes recherche de l'industrie permettent d’adapter le système photovoltaïque aux caractéristiques du lieu et à l'utilisation prévue de l'électricité produite.

Dernière Mise à jour : 11/05/2020
Article suivant Principe de l'effet photovoltaïque
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 : 11/05/2020
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Article suivant Sensibilité spectrale

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 amorpheSource : A. Ricaud, Les convertisseurs photovoltaïques
Dernière Mise à jour : 11/05/2020
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De la lumière à l'électricité

De la lumière à l'électricité

la Découverte de l'effet photovoltaïque

Le terme « photovoltaïque » est composé du mot de grec ancien « photos » (φωτoς : lumière, clarté) et du nom de famille du physicien italien (Allessandro Volta) qui inventa la pile électrique en 1800 et donna son nom à l’unité de mesure de la tension électrique, le volt.

L’effet photovoltaïque, découvert en 1839 par le français Antoine-César Becquerel, désigne la capacité que possèdent certains matériaux, notamment les semi-conducteurs, à convertir directement les différentes composantes de la lumière du soleil (et non sa chaleur) en électricité.

Antoine-César Becquerel (1788 - 1878)Portrait d'Antoine-César Becquerel

 

Les avantages de la production d'électricité à partir de l'effet photovoltaïque

L’effet photovoltaïque représente ainsi la seule alternative existante à la production d’électricité à partir de la force mécanique, puisque toutes les autres techniques sans exception, renouvelables ou non, font appel à des génératrices tournantes (alternateurs ou dynamos) qui peuvent être actionnées de diverses manières : vapeur, vent, force de l’eau, courants marins, …

Outre cette spécificité qui le distingue très nettement des autres techniques, le photovoltaïque possède de nombreuses qualités qui présentent autant d’avantages :

  • Aucune nuisance ni impact sur l'environnement immédiat :

Basé sur un phénomène physique imperceptible, son fonctionnement n’occasionne strictement aucune nuisance ou impact sur l’environnement immédiat : ni mouvement, ni bruit, ni odeur, ni émission quelconque.

  • Une très grande fiabilité :

Le fonctionnement d’un système photovoltaïque ne fait appel à aucune pièce en mouvement, le risque de panne ou d’accident est donc quasiment nul et le niveau de fiabilité très élevé.

  • Une garantie de rendement à long terme :

Les caractéristiques physiques des matériaux photovoltaïques ne s’altèrent pas dans le temps, et la baisse de rendement des panneaux, que l’on peut éventuellement observer et qui est due essentiellement aux imperfections mineures de fabrication, est très lente et très limitée, ce qui permet aux fabricants d’apporter une garantie de rendement pouvant aller jusqu’à 30 ans.

  • Un bilan économique prévisible et sans surprise :

Hormis le coût d’investissement, l’accès à la ressource énergétique primaire est totalement libre et gratuit, puisqu’il s’agit de la lumière du soleil, et comme les besoins d’entretien et de maintenance sont très réduits (ils concernent essentiellement l’électronique de régulation et de connexion), le bilan économique est prévisible avec un haut degré de certitude.

  • Une technologie universelle :

L’alternance jour/nuit étant un phénomène universel, même si sa répartition temporelle peut être très différente selon les lieux, le photovoltaïque peut fonctionner en tout point du globe terrestre avec un écart de potentiel annuel allant de 1 à 4 en entre le moins bon et le meilleur site.

  • Une grande flexibilité et diversité d'applications :

La quantité d’énergie récupérable en un lieu donné est directement proportionnelle à la surface exposée à la lumière du soleil, ce qui confère au photovoltaïque un caractère intrinsèquement modulaire et flexible : la surface des capteurs va de quelques cm2 pour l’alimentation d’une calculatrice à plusieurs centaines de milliers de m2 pour les centrales au sol et cette taille peut être modifiée à tout moment par simple ajout (ou retrait) de panneaux, sans même interrompre le fonctionnement de l’installation existante.

Gratuité, innocuité, accessibilité, sécurité, fiabilité, modularité, flexibilité : la conjugaison de ces qualités dont le photovoltaïque dispose fait que ses domaines d’application sont extrêmement divers et peuvent répondre à une grande variété de besoins dans toutes sortes de situations, d’autant plus que les différentes technologies de fabrication des modules qui sont aujourd'hui disponibles et qui le seront demain grâce aux nombreux axes recherche de l'industrie permettent d’adapter le système photovoltaïque aux caractéristiques du lieu et à l'utilisation prévue de l'électricité produite.

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.

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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/cm2Source : R.Hulstrom, R. Bird, C.Riordan, Solar cells, Vol. 15, p.365 1985

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 amorpheSource : A. Ricaud, Les convertisseurs photovoltaïques
Article précédent Principe de l'effet photovoltaïque
Dernière Mise à jour : 11/05/2020

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