L’effet photovoltaïque, découvert par le français Edmond Becquerel en 1839, est un phénomène physique qui permet de convertir l’énergie lumineuse, notamment celle provenant du rayonnement solaire, en énergie électrique. Ce principe est au cœur des cellules photovoltaïques qui composent les panneaux solaires, permettant de produire de l’électricité à partir de l’énergie solaire, l’énergie renouvelable qui a le plus de potentiel actuellement.
Aujourd’hui, les panneaux photovoltaïques sont largement déployés en Europe et dans le monde, contribuant à la transition énergétique vers des sources d’énergie renouvelables et propres. Le satellite Vanguard, lancé en 1958, fut le premier à utiliser des cellules solaires pour alimenter ses systèmes électroniques. Depuis lors, la technologie photovoltaïque a évolué, offrant une alternative durable et respectueuse de l’environnement pour produire de l’électricité à partir de l’énergie solaire.
Le principe de l’effet photovoltaïque
Le matériau semi-conducteur le plus couramment utilisé dans les cellules photovoltaïques est le silicium. Lorsque les photons, qui constituent la lumière du soleil, frappent la surface d’une cellule photovoltaïque, ils transfèrent leur énergie aux électrons du matériau. Les électrons de la couche de valence gagnent suffisamment d’énergie pour passer à la bande de conduction, créant ainsi des paires électron-trou.
Dans une cellule photovoltaïque, une jonction PN est formée en mettant en contact un conducteur de type N et un conducteur de type P. Un champ électrique est ainsi créé à la jonction, séparant les électrons et les trous. La circulation des électrons génère un courant électrique qui peut être utilisé pour alimenter des appareils électriques ou être injecté dans le réseau.
Le rendement des panneaux photovoltaïques dépend de la puissance lumineuse disponible, de l’efficacité des cellules photovoltaïques et de facteurs environnementaux tels que l’intensité du rayonnement solaire et la température. En optimisant ces paramètres, la puissance électrique produite par les panneaux solaires peut être maximisée.
L’effet photovoltaïque est un phénomène qui se produit lorsqu’un matériau semi-conducteur absorbe des photons de lumière et génère un courant électrique en convertissant l’énergie lumineuse en énergie électrique. Voici une description détaillée de l’effet photovoltaïque en suivant une approche d’ingénierie.
Les cellules photovoltaïques
Les semi-conducteurs sont des matériaux dont la conductivité électrique se situe entre celle des conducteurs et celle des isolants. Le silicium cristallin est le matériau semi-conducteur le plus couramment utilisé pour les cellules photovoltaïques, mais d’autres matériaux, tels que le tellurure de cadmium (CdTe), le diséléniure de cuivre, d’indium et de gallium (CIGS) et les pérovskites, sont également utilisés ou font l’objet de recherches.
Les semi-conducteurs ont une structure électronique caractérisée par des bandes d’énergie. La bande de valence est la bande d’énergie la plus haute entièrement remplie d’électrons, tandis que la bande de conduction est la bande d’énergie la plus basse partiellement remplie ou vide. L’écart d’énergie entre ces deux bandes est appelé bande interdite.
Processus de génération d’électricité
Lorsqu’un photon de lumière ayant une énergie supérieure ou égale à la largeur de la bande interdite frappe le matériau semi-conducteur, il peut transférer son énergie à un électron de la bande de valence. L’électron gagne alors suffisamment d’énergie pour passer à la bande de conduction, laissant derrière lui un trou dans la bande de valence. Cette paire électron-trou est appelée paire exciton.
Une cellule photovoltaïque est généralement composée d’une jonction PN, formée en mettant en contact un semi-conducteur de type P (riche en trous) et un semi-conducteur de type N (riche en électrons). La jonction PN crée un champ électrique interne qui sépare les électrons et les trous générés par l’absorption de photons.
Sous l’influence de ce champ électrique, les électrons sont attirés vers la région de type N, tandis que les trous sont attirés vers la région de type P. Cette séparation de charge crée une tension électrique aux bornes de la cellule photovoltaïque. Lorsqu’un circuit externe est connecté, un courant électrique circule, produisant ainsi de l’énergie électrique.
Optimisation de la cellule photovoltaïque
L’efficacité d’une cellule photovoltaïque dépend de plusieurs facteurs, tels que la capacité d’absorption du matériau semi-conducteur, la largeur de la bande interdite, la qualité de la jonction PN, la réflexion et la transmission de la lumière à la surface de la cellule, et les pertes résistives dans le matériau et les contacts électriques. La performance des cellules photovoltaïques diminue généralement avec l’augmentation de la température. Les ingénieurs cherchent donc des solutions pour gérer la dissipation thermique, par exemple en utilisant des matériaux à faible coefficient de température ou en intégrant des systèmes de refroidissement passifs ou actifs.
Les ingénieurs travaillent sur la conception et l’optimisation des cellules photovoltaïques pour améliorer leur efficacité et leur fiabilité. Cela implique des choix de matériaux, de techniques de dopage, de structures de cellules (monocristallines, multicristallines, minces ou à hétérojonctions) et de revêtements antireflets. Les cellules en tandem sont une approche visant à améliorer l’efficacité des cellules photovoltaïques en empilant plusieurs cellules avec des largeurs de bande interdite différentes. Cela permet d’absorber un spectre de lumière plus large et de convertir plus d’énergie lumineuse en énergie électrique. Les cellules photovoltaïques sont généralement regroupées en modules et en panneaux solaires pour former des systèmes photovoltaïques de différentes tailles et capacités.
L’histoire de l’effet photovoltaïque
L’histoire de l’effet photovoltaïque remonte au 19e siècle et s’étend jusqu’à nos jours, avec des avancées scientifiques et technologiques clés qui ont façonné son développement. Voici un aperçu chronologique des événements marquants de l’histoire de l’effet photovoltaïque :
- 1839 : Découverte de l’effet photovoltaïque – Le physicien français Alexandre Edmond Becquerel découvre l’effet photovoltaïque en observant que la lumière incidente sur une électrode plongée dans un électrolyte provoque la production d’un courant électrique.
- 1873 : Découverte des propriétés photoconductrices du sélénium – Willoughby Smith, un ingénieur britannique, découvre que la résistivité du sélénium diminue lorsqu’il est exposé à la lumière.
- 1883 : Première cellule solaire au sélénium – Charles Fritts, un inventeur américain, fabrique la première cellule solaire en recouvrant une plaque de sélénium avec une fine couche d’or. Cette cellule présente une faible efficacité, d’environ 1%.
- 1905 : Explication de l’effet photoélectrique – Albert Einstein publie une théorie sur l’effet photoélectrique, expliquant comment les photons de lumière peuvent libérer des électrons d’un matériau. Einstein recevra le prix Nobel de physique en 1921 pour ses travaux sur l’effet photoélectrique.
- 1941 : Invention du transistor – John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley inventent le transistor aux Laboratoires Bell. Le transistor, basé sur des matériaux semi-conducteurs, est essentiel pour le développement ultérieur des cellules photovoltaïques.
- 1954 : Développement de la première cellule solaire au silicium – Les chercheurs Daryl Chapin, Calvin Fuller et Gerald Pearson, travaillant aux Laboratoires Bell, mettent au point la première cellule solaire au silicium. Cette cellule présente une efficacité de 6%, beaucoup plus élevée que celle des cellules au sélénium.
- 1958 : Premier satellite alimenté par des cellules solaires – Le satellite Vanguard 1 est lancé avec des cellules solaires pour alimenter ses systèmes électroniques. Cela marque la première utilisation de l’énergie solaire photovoltaïque dans l’espace.
- 1970-1980 : Croissance de l’industrie solaire et amélioration de l’efficacité – Les crises énergétiques des années 1970 stimulent la recherche et le développement dans le domaine des énergies renouvelables, y compris l’énergie solaire photovoltaïque. L’efficacité des cellules solaires augmente et les coûts de production diminuent progressivement.
- 1990-présent : Expansion et adoption généralisée de l’énergie solaire (suite) – Les chercheurs continuent de travailler sur de nouveaux matériaux et des techniques de fabrication innovantes pour améliorer l’efficacité des cellules photovoltaïques et réduire les coûts de production. Des matériaux tels que les pérovskites et les points quantiques font l’objet de recherches intensives pour créer des cellules solaires de nouvelle génération.