L'effet photovoltaïque est un phénomène fondamental dans la conversion de l'énergie solaire en électricité. Elle se caractérise par la génération d'un courant électrique lorsque deux matériaux différents sont en contact et exposés à la lumière ou à un rayonnement électromagnétique.
Cet effet est principalement activé par la lumière du soleil, bien qu’il puisse être déclenché par des sources de lumière naturelle ou artificielle. Or, dans la pratique, la grande majorité des panneaux photovoltaïques utilisent exclusivement la lumière solaire comme source d’énergie.
C'est le physicien français Alexandre-Edmond Becquerel qui a découvert ce phénomène en 1839 alors qu'il étudiait l'interaction entre la lumière et l'électricité, marquant ainsi le début du développement de la technologie photovoltaïque.
Utilisation et applications de l'effet photovoltaïque
L’effet photovoltaïque est essentiellement utilisé pour la production d’énergie électrique grâce à la conversion directe de la lumière solaire en électricité. Cette application se matérialise dans des technologies telles que les panneaux solaires photovoltaïques, qui utilisent des matériaux semi-conducteurs pour profiter de ce phénomène.
Les matériaux semi-conducteurs, comme le silicium, sont essentiels dans cette application en raison de leur capacité à tirer parti de l'effet photovoltaïque. Lorsque des photons de lumière frappent ces matériaux, ils provoquent une excitation des électrons, générant ainsi un courant électrique.
Les panneaux solaires, constitués de cellules photovoltaïques, constituent le pilier de cette technologie. Ces cellules sont fabriquées avec des matériaux semi-conducteurs, généralement du silicium pur avec des impuretés contrôlées, qui maximisent l'efficacité de la conversion de la lumière solaire en électricité. Ce processus est essentiel pour obtenir une énergie propre et renouvelable, contribuant de manière significative à l’atténuation du changement climatique et à l’indépendance énergétique.
Comment ça marche
L'effet photovoltaïque commence lorsqu'un photon frappe un électron de la dernière orbite d'un atome de silicium. Ce dernier électron est appelé électron de valence et reçoit l’énergie avec laquelle le photon s’est déplacé.
Le photon est la particule élémentaire qui véhicule toutes les formes de rayonnement électromagnétique, y compris le rayonnement solaire.
Si l'énergie acquise par l'électron dépasse la force d'attraction du noyau de l'atome de silicium (énergie de valence), il quitte son orbite et est libre. Lorsqu’il est libre, l’électron peut traverser le matériau conducteur en formant un courant continu.
Tous les photons qui atteignent les cellules solaires ne sont pas convertis en électricité. Une partie du rayonnement incident est perdue par réflexion (il rebondit) et une autre partie par transmission (il traverse la cellule).
Cellules photovoltaïques à effet photoélectrique : génération actuelle
Chaque électron libéré laisse derrière lui un trou, ou espace libre, jusqu'à ce qu'il soit rempli par un électron ayant sauté d'un autre atome. Ces mouvements de charges électriques (électrons) libérées des espaces qu’elles laissent derrière eux sont ce qu’on appelle le courant électrique.
Ce courant de charges peut quitter le matériau afin d'effectuer des travaux utiles tels que l'alimentation d'un moteur, l'alimentation d'une ampoule, etc. Pour que cela se produise de manière constante et régulière, il faut qu’il y ait la présence d’un champ électrique de polarité constante. Ce champ polarise les particules et agit comme une véritable pompe qui entraîne les électrons dans un sens et génère des trous dans le sens opposé.
Dans les panneaux solaires conventionnels, le champ électrique se forme grâce au fait qu'une zone du matériau présente un excès d'électrons (charge négative), tandis que l'autre en manque (charge positive). De cette façon, lorsqu’un électron portant une charge négative est libéré, il est propulsé à travers le matériau jusqu’à la zone où la charge est positive.
Importance des photons
Les photons correspondant aux petites longueurs d'onde (rayonnement ultraviolet) sont plus énergétiques que ceux correspondant aux longueurs d'onde plus longues (rayonnement infrarouge).
Chaque matériau semi-conducteur possède une énergie minimale qui permet aux électrons de se libérer de leurs atomes. Cette énergie correspondra aux photons d'une certaine bande de fréquences qui s'étendront de celles associées aux couleurs ultraviolettes aux couleurs visibles, à l'exception du rouge, qui a déjà une énergie associée inférieure à 1,2 électron-volt.
Pourquoi tous les photons ne sont-ils pas convertis en électricité ?
Tous les photons n’atteignent pas l’objectif de séparer les électrons. En effet, les photons perdent de l'énergie lorsqu'ils traversent le matériau. Parfois, au moment de la collision, certains photons ont déjà perdu trop d'énergie pour déplacer un électron.
De même, il y a un pourcentage de photons qui traversent la feuille semi-conductrice sans rencontrer d’électrons et d’autres qui sont réfléchis. Dans ces cas-là, l’effet photovoltaïque ne se produirait pas en faisant sauter les électrons d’une couche à l’autre.