Comment le panneau solaire produit-il du courant électrique appelé aussi photovoltaïque ?
L’énergie solaire est l’électricité produit par les rayons solaires captés par des cellules photovoltaïque. Ces dernières sont faites à partir de matériaux semi-conducteurs comme le silicium. Quel est le principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque ? Quels sont les principaux matériaux composants d’une cellule photovoltaïque ? Qu’est ce qu’on entend par matériaux semi-conducteur ? Quelles sont les stades de transformation des rayons solaires en courant continu ? Ces quelques questions méritent réponses pour bien comprendre la production du courant électrique par un panneau solaire.
Quel est le principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque ( panneau solaire )?
La lumière est constituée de plusieurs photons. Ces photons sont des éléments en mesure de traverser la lumière tout en étant capables de la pénétrer. À l’action de la lumière, les siliciums, qui sont des semi-conducteurs, émettent des électrons. Plus exactement, lorsque la cellule solaire est exposée à la lumière du soleil, tous les atomes issus du rayonnement solaire sont répandus par les photons qui sont par la suite source d’énergie électrique.En outre, la transformation de la lumière du soleil en énergie électrique n’a pas besoin d’une conversion particulière comme pour le cas de ce qu’on entend par solaire thermodynamique. En effet, sans l’intermédiaire de la chaleur, toute cellule photovoltaïque est en mesure de capter les rayons solaires et les transforment directement en courant électrique de type continu. En d’autres termes, grâce aux matériaux semi-conducteurs, la cellule photovoltaïque absorbe en premier lieu les rayonnements du soleil et convertit par la suite l’énergie lumineuse des photons en courant continu. C’est ce qu’on appelle le phénomène de l’effet photoélectrique. Il est toutefois à noter qu’il n’est pas possible de stocker directement l’électricité obtenu par les cellules photovoltaïques. C’est dans ce sens qu’un panneau solaire photovoltaïque doit être complété par d’autres équipements comme la batterie pour stocker indirectement les énergies électriques ou encore les onduleurs qui tiennent le rôle de convertisseurs pour transformer le courant continu en courant alternatif utilisable.
Quels sont les principaux composants d’une cellule photovoltaïque ?
Une cellule photovoltaïque est faite principalement à partir de silicium cristallins comprenant deux couches. Si la première couche est dopée positivement en disposant moins d’électrons que le silicium, l’autre couche quant à elle est dopée négativement en possédant beaucoup plus d’électrons par rapport à ceux du silicium. Plus concrètement, on recense sur chaque cellule deux couches opposées dont l’une présente un excès d’électrons et l’autre une insuffisance d’électrons. Si la première dopée de « N» étant positive, la seconde est dopée de « P » négative.
Comme un atome de silicium est composé de 4 électrons périphériques, la première couche qui est dopée avec des atomes de phosphore équivaut à 5 électrons est dopée de type négatif puisqu’il dispose d’1 électron en excédent. Par contre, la seconde couche qui est dopée avec des atomes de bore dispose de 3 électrons. C’est en ayant moins d’électrons par rapport au silicium qu’on dit qu’elle est dopée de type positif.
Par ailleurs, tout dopage de silicium cristallin permet d’ajouter une grande quantité d’atomes, nécessaires à l’amélioration de la conductivité des matériaux semi-conducteurs. Chaque cellule photovoltaïque délivre une tension entre 0,5V et 0,6V. Il faut donc un assemblage de plusieurs cellules photovoltaïque afin d’arriver à avoir une tension de 12V qui est la tension normale et nécessaire dans toute obtention d’un courant continu.
À titre indicatif, si le silicium « Si » est le principal matériau utilisé pour pouvoir transformer la lumière en courant, on peut toutefois recenser d’autres matériaux semi-conducteurs. Citons entre autres les séléniures de cuivre ou « CuIn(Se) 2 », les séléniures d’indium ou « CuInGa (Se) 2 » ou encore les tellurures de cadmium ou « CdTe ».
Quelles sont les stades de transformation des rayons solaires en courant continu ?
Comment le panneau solaire produit-il du courant ? c’est au moment où les photons traversent une cellule photovoltaïque, ils captent les électrons qui se trouvent aux atomes de silicium des couches l’une dopée positivement (P) et l’autre dopée négativement (N). Lorsqu’ils entrent en contact, cela entraine une rupture entre atome de silicium et électron. Ceci crée un trou et modifie par la suite les charges électriques. C’est ainsi que les atomes de charge positive vont dans la zone P et les électrons de charge négative passent dans la zone N.
En d’autres termes, une tension électrique ou plus précisément une différence de potentiel électrique se forme et une tension entre les deux faces se forme : les électrons qui sont libérés dans un parcours très fermé circulent dans toutes les directions et retournent vers la fin à la couche (N). C’est ce phénomène de déplacement des électrons qui constitue la production de l’électricité. Par ailleurs, on peut affirmer que le silicium prend la place d’une diode. Autrement dit, c’est grâce à lui que les électrons qui se répandent ne peuvent suivre qu’un seul trajet sinon, aucune énergie électrique ne sera produit en cas de recombinaison. La présence d’une jonction p-n est alors d’une importance capitale afin de séparer les charges. Une fois qu’on obtient un courant continu, il ne reste plus qu’à le transformer par l’intermédiaire d’un onduleur en un courant alternatif pour pouvoir brancher les appareils électriques.
Qu’est-ce qu’on entend par « matériau semi-conducteur » pour une cellule photovoltaïque ?
Ce sont les matériaux semi-conducteurs qui sont considérés comme le cœur même de toute cellule photovoltaïque, disposant de la propriété de générer de l’électricité une fois qu’il reçoit de la lumière du soleil. En effet, c’est par leur intermédiaire que les électrons peuvent produire de l’énergie électrique. On entend par matériau semi-conducteur une substance à l’état solide ou liquide qui est en mesure de conduire de l’électricité à une température ambiante. Les plus utilisées pour une cellule photovoltaïque sont les siliciums, le Germanium et l’arséniure de gallium.
Comment le panneau solaire produit-il du courant? les atomes des matériaux semi-conducteurs disposent d’un grand nombre d’électrons qui présentent des niveaux d’énergie discrets. En contact direct avec les photons produits par la lumière, les photons sont en mesure de transformer leur énergie aux électrons. Ainsi, ils quittent leur bande de valence et rejoignent celle de conduction. Autrement dit, le principal rôle d’un semi-conducteur est de repousser les électrons qui sont excitées par les photons pour qu’ils rejoignent la couche N, et les trous vers la couche P.
Comment le panneau solaire produit-il du courant éléctrique ? c’est grâce au matériau semi-conducteur le plus utilisé dans toute cellule solaire, actuellement est le silicium. Ce dernier est obtenu par une réduction à partir de silice, un composant qu’on peut trouver dans les croutes terrestres, dans les sables ou dans des quarts de galets ou de gisement filonien. Les parties supérieures de ce semi-conducteur sont dopées différemment des parties inférieures qui se distinguent par leur nombre de charges. En fonction de la quantité de silicium contenue dans une cellule photovoltaïque, il est possible de qualifier les cellules en trois grandes distinctions dont :
- les cellules amorphes qui ont un rendement faible avec 5 à 10%. Ce type de cellule n’est en mesure que de produire environ 100W.
- les panneaux polycristalin avec un rendement plus conséquent que le premier type de cellule photovoltaïque avec 10 à 13%.
- les panneaux solaire monocristalin, fabriquées à partir d’une quantité importante de silicium sont celles qui ont le plus de rendement avec 15 et 22% plus éfficaces que les les panneaux solaires polycristalin.
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