L'effet photovoltaïque un phénomène physique caractérisé par la production d'un courant électrique entre deux pièces de matériaux différents qui sont en contact et exposées à la lumière ou, en général, à un rayonnement électromagnétique.
Le physicien Alexandre-Edmond Becquerel a découvert l’effet photovoltaïque en 1839.
L’énergie solaire est un type d’énergie renouvelable qui peut être utilisée de différentes manières. L'un d'eux est la production d'énergie électrique à l'aide de panneaux solaires et de l'effet photovoltaïque.
La source d'énergie pour que cet effet se produise est la lumière naturelle ou artificielle, mais évidemment 99% des panneaux photovoltaïques utilisent la lumière du soleil.
A quoi sert l'effet photovoltaïque ?
L'effet photovoltaïque est utilisé dans l'énergie solaire photovoltaïque pour produire de l'électricité.
Les matériaux semi-conducteurs (tels que le silicium) ont la particularité de favoriser l'effet photovoltaïque dans les panneaux solaires en raison du comportement électrique qu'ils ont lors de l'impact avec des photons de lumière.
Les modules solaires sont constitués de cellules photovoltaïques, qui sont des dispositifs semi-conducteurs fabriqués avec ce type de matériau. Normalement, ces matériaux semi-conducteurs sont formés à partir de silicium pur avec l'ajout d'impuretés de certains éléments chimiques.
Qu'est-ce que l'effet photoélectrique ?
C'est le processus par lequel les électrons sont libérés du matériau en raison de l'incidence du rayonnement électromagnétique.
Lorsque les photons atteignent le matériau, leur énergie peut être absorbée par les électrons du matériau. De cette façon, les électrons acquièrent un niveau d'énergie plus élevé. De plus, si ce niveau est supérieur à ce qu'ils doivent quitter, ils génèrent une paire électron-trou. Le trou se comporte comme une charge positive.
Une partie de l'énergie du photon servira à le libérer de la structure cristalline à laquelle il appartient, tandis que le reste servira à augmenter sa vitesse (énergie cinétique).
Si l'énergie des photons est faible, les électrons ne pourront pas quitter le matériau. Dans ce cas, le phénomène de photo émissivité ne se produira pas.
Comment l'effet photovoltaïque est-il produit ?
L'effet photovoltaïque commence au moment où un photon frappe un électron de la dernière orbite d'un atome de silicium. Ce dernier électron s'appelle l'électron de valence et reçoit l'énergie avec laquelle le photon a voyagé.
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 reste libre. Étant 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 (rebondit) et une partie par transmission (passe à travers la cellule).
Comment l'électricité est-elle produite dans un panneau solaire ?
Chaque électron libéré laisse derrière lui un trou, ou espace libre, jusqu'à ce qu'il soit rempli par un électron qui a sauté d'un autre atome. Ces mouvements de charges électriques (électrons) libérées des espaces qu'elles laissent derrière elles constituent ce qu'on appelle un courant électrique.
Ce courant de charges peut quitter le matériau afin d'effectuer un travail utile comme entraîner un moteur, alimenter 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 propulse les électrons dans un sens et génère des trous dans l'autre sens.
Dans les panneaux solaires conventionnels, le champ électrique est formé grâce au fait qu'une zone du matériau a un excès d'électrons (charge négative), tandis que l'autre en manque (charge positive). Ainsi, lors de la libération d'un électron, qui a une charge négative, il est propulsé à travers le matériau vers la zone où la charge est positive.
Quelle est l'importance des photons dans l'effet photovoltaïque ?
Les photons correspondant aux courtes longueurs d'onde (rayonnement ultraviolet) sont plus énergétiques que ceux correspondant aux plus grandes longueurs d'onde (rayonnement infrarouge).
Chaque matériau semi-conducteur a une énergie minimale qui permet aux électrons d'être libérés de leurs atomes. Cette énergie correspond à des photons d'une certaine bande de fréquence qui ira de celles associées aux ultraviolets aux couleurs visibles, à l'exception du rouge qui a déjà une énergie associée inférieure à 1,2 électron volts.
Pourquoi tous les photons ne se convertissent-ils pas en électricité ?
Tous les photons n'atteignent pas l'objectif de séparation des 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 plus, il y a un pourcentage de photons qui traversent la feuille semi-conductrice sans heurter aucun électron et d'autres qui sont réfléchis. Dans ces cas, l'effet photovoltaïque ne se produirait pas, faisant sauter les électrons d'une couche à l'autre.
