Quelle conversion d’énergie se fait dans une centrale solaire photovoltaïque ?
Parmi les solutions les plus efficaces en production d’énergie renouvelable, il y a les panneaux solaires photovoltaïques. La question qui se pose souvent est : comment se déroule cette chaîne de production d’électricité ? Ce guide va vous expliquer comment ce processus de transformation énergétique se fait. Quel type de conversion s’effectue à l’intérieur d’un panneau photovoltaïque.
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Le principe de base de la conversion photovoltaïque
La transformation du rayonnement solaire en énergie s’effectue grâce au phénomène de l’effet photovoltaïque. Les rayons du soleil sont composés de photons qui contiennent de l’énergie. Ils sont captés par les panneaux solaires fabriqués avec des matériaux semi-conducteurs à base de silicium et qui sont dotés d’électrons.
Une fois que le rayon du soleil entre en contact avec les cellules photovoltaïques, le photon qu’il contient est transmis à l’électron. Ce dernier obtient beaucoup plus d’énergie, se libère et forme un trou que l’on appelle « électron-trou ». Les électrons se mettent donc en mouvement et c’est cela qui produit un courant électrique.
Par définition, l’effet photovoltaïque, c’est la conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique. Ce phénomène se produit lorsque les photons de la lumière sont absorbés par un matériau semi-conducteur.
Il est bon de savoir que l’effet photovoltaïque est une découverte française. C’est le physicien Edmond Becquerel qui l’a découvert en 1839. Pendant longtemps, c’était le sélénium qui a été utilisé pour en faire des cellules photovoltaïques. Ce n’est qu’en 1954 que les premières cellules en silicium ont été développées. Leur rendement est 6% plus élevé que celui du sélénium. De plus, c’est la seconde matière la plus abondante sur terre, après l’oxygène.
La conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique
La conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique dans un panneau photovoltaïque obéit à deux processus principaux :
L’absorption
Durant cette étape, les photons pénètrent dans le matériau semi-conducteur. À noter que les photons sont des particules contenues dans les ondes électromagnétiques du rayon du soleil. Ils contiennent de l’énergie dont la quantité varie en fonction de leur longueur d’onde. On appelle le phénomène d’absorption, le fait où l’énergie d’un photon interagit avec le matériau semi-conducteur et converti en un autre type d’énergie.
La production d’électricité va vraiment dépendre des éléments qui composent les panneaux solaires. Jusqu’à aujourd’hui, ceux qui offrent un meilleur rendement sont les panneaux photovoltaïques composés de cellules en silicium monocristallins. Cependant, il y a aussi les cellules polycristallines ou amorphes.
La séparation des charges
Les photons transmettent leurs énergies aux électrons les plus éloignés du noyau dans la cellule photovoltaïque. Cela facilite leur libération de l’attraction nucléaire. Grâce au surplus d’énergie, les électrons s’échappent de leur position initiale et forme un vide.
Dans une cellule photovoltaïque, il y a deux couches semi-conductrices. Elles sont toutes dopées pour conduire deux charges différentes : positives et négatives. Lors de la création de la paire d’électron-trou, ces deux charges se séparent. Une différence de potentiel est alors créée entre les deux couches de la cellule photovoltaïque. Les électrons vont donc circuler entre elles : c’est le courant électrique.
La création d’un courant électrique
Lorsque les électrons sont libérés, ils sont en mouvement et génèrent un courant électrique. Toutefois, pour que ce courant soit exploité, il est important de le collecter de manière efficace. C’est à ce moment précis que les contacts métalliques placés sur les côtés du panneau interviennent. Ils vont permettre de réunir les électrons libres et de les transférer vers les fils conducteurs connectés au panneau.
Néanmoins, le courant produit à cet instant est encore brut. Il n’est pas exploitable. Pour qu’il puisse être utilisé, il doit passer par un onduleur qui le transforme en courant alternatif compatible à l’usage domestique. Les fils conducteurs du panneau solaire sont en cuivre qui sont de parfait conducteur d’électricité.
L’effet de la jonction PN
La jonction PN est un des principaux composants du panneau photovoltaïque. Il se crée en introduisant différents types de dopants dans le matériau semi-conducteur. Pour séparer les charges positives et négatives, la jonction PN joue un rôle clé. Une fois que les électrons libres sont en mouvement vers la jonction PN, une absence d’électrons ou lacune se forme. Il y a donc une différence de potentiel qui se crée. Cela va générer un champ électrique qui booste la séparation des charges et la création d’un courant continue.
On connaît que les cellules photovoltaïques sont composées de silicium. C’est un matériau semi-conducteur que l’on retrouve également dans le sable. Le silicium est constitué d’atome avec un noyau autour duquel gravite des électrons. Le courant électrique que l’on cherche à obtenir est une circulation d’électron. Lorsqu’il est exposé à la lumière, les atomes du silicium s’agitent dans tous les sens. Il ne s’agit pas encore de circulation, donc il n’y a pas encore de production d’électricité.
Pour générer du courant, il faut créer à la fois un surplus et un déficit d’électrons. Pour ce faire, la couche supérieure du silicium sera dopée au phosphore. Ce sont des atomes qui possèdent un surplus d’électron par rapport au silicium. Elle sera donc composée de cinq électrons de phosphore (chargés négativement) et seulement quatre de silicium. C’est la borne N. Pour le déficit d’électron, des atomes de bore seront utilisés pour doper la partie inférieure du silicium. Il sera constitué de trois électrons de bore (chargés positivement) et uniquement quatre de silicium. C’est la borne P.
Une fois que la lumière du soleil frappe la cellule photovoltaïque, les photons entraînent une éjection des électrons présents dans la couche P et N. Ils vont donc se déplacer à l’intérieur du panneau. C’est exactement cette circulation qui donne naissance au circuit électrique.
Les panneaux solaires sont des solutions très intelligentes pour transformer la lumière du soleil en électricité. Avec l’aide de l’effet photovoltaïque, l’énergie lumineuse entre en contact avec les matériaux semi-conducteurs. Des électrons seront ensuite libérés et cela génère un courant électrique. La compréhension de tout ce processus est essentielle. Cela va nous permettre de mieux apprécier leur fonctionnement et leur rôle dans la transition énergétique vers des sources renouvelables et durables
