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Panneaux photovoltaïques énergie solaire

Effet photovoltaïque

Effet photovoltaïque

L'effet photovoltaïque est l'effet photoélectrique caractérisé par la production d'un courant électrique entre deux pièces de matériau différent qui sont en contact et exposées à la lumière ou, en général, au rayonnement électromagnétique.

L'effet photovoltaïque consiste à convertir la lumière du soleil en énergie électrique au moyen de cellules photovoltaïques

Où l'effet photovoltaïque est-il utilisé?

L'effet photovoltaïque est utilisé dans l'énergie solaire photovoltaïque. Plus précisément dans les cellules photovoltaïques des panneaux solaires.

Les matériaux semi-conducteurs (tels que le silicium) ont la particularité de présenter un comportement différent envers l'électricité. Le comportement des semi-conducteurs dépend du fait qu'une source d'énergie externe les excite ou non.

Cette source d'énergie serait le rayonnement solaire.

Cellules photovoltaïques

Les cellules photovoltaïques sont des dispositifs semi-conducteurs fabriqués à partir de silicium pur avec l'ajout d'impuretés de certains éléments chimiques. Les cellules génèrent de l'électricité en courant continu, en utilisant le rayonnement solaire comme source.

Les cellules sont montées en série sur des panneaux photovoltaïques ou des modules solaires pour atteindre une tension adéquate. Une partie du rayonnement incident est perdue par réflexion (rebonds) et une partie par transmission (passe à travers la cellule). Les autres sont capables de faire sauter des électrons d'une coquille à l'autre créant un courant proportionnel au rayonnement incident.

Comment se produit l'effet photovoltaïque?

L'effet photovoltaïque commence au moment où un photon frappe un électron de la dernière orbite d'un atome de silicium. Ce dernier électron est appelé électron de valence. Il reçoit l'énergie avec laquelle le photon a voyagé.

Le photon n'est rien d'autre qu'une particule de lumière rayonnante.

Si l'énergie acquise par l'électron dépasse la force d'attraction du noyau (énergie de valence), il quitte son orbite et est libre de l'atome et, par conséquent, peut voyager à travers le matériau. A ce moment, on dirait que le silicium est devenu conducteur (bande de conduction). Pour ce faire, la force d'impact d'un photon doit être d'au moins 1,2 eV.

effet photovoltaïque

Courant électrique

Chaque électron libéré laisse derrière lui un trou, ou un espace libre, jusqu'à ce qu'il soit occupé par un électron qui a sauté d'un autre atome. Ces mouvements des électrons libérés ou des espaces qu'ils laissent derrière eux sont ce qu'on appelle des charges électriques.

Ce courant de charges peut atteindre les contacts et sortir du matériel afin d'effectuer des travaux utiles. Pour que cela se produise constamment et régulièrement, il doit y avoir 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 une direction et les trous dans l'autre.

Dans les cellules solaires conventionnelles, le champ électrique (0,5 V) se forme grâce à une jonction PN, c'est-à-dire qu'une zone du matériau a des électrons en excès (charge négative), tandis que l'autre en manque (charge positive). ), de sorte que lorsqu'un électron est libéré, il est propulsé à travers le matériau vers les conducteurs d'argent, avec une faible résistivité.

Si l'énergie acquise par l'électron dépasse la force d'attraction du noyau (énergie de valence), il quitte son orbite et est libre de l'atome et, par conséquent, peut voyager à travers le matériau. A ce moment, nous dirions que le silicium est devenu conducteur (bande de conduction) et, pour ce faire, il est nécessaire que la force d'impact d'un photon soit d'au moins 1,2 eV.

Importance des photons dans l'effet photovoltaïque

Les photons correspondant à de petites longueurs d'onde (rayonnement ultraviolet) sont plus énergétiques (2 à 3 électrons volts) que ceux correspondant à des longueurs d'onde plus longues (rayonnement infrarouge).

Chaque matériau semi-conducteur a une énergie minimale qui permet aux électrons d'être libérés de leurs atomes. Cette énergie correspondra à des photons d'une certaine bande de fréquences (gap) qui iront de ceux associés à l'ultraviolet 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 séparation des électrons. En effet, la traversée du matériau implique toujours une certaine perte d'énergie. Cette perte d'énergie implique qu'au moment de la collision, certains photons ont déjà perdu trop d'énergie pour déplacer un électron. Ces pertes de non-absorption ne dépendent que des propriétés du matériau et sont inévitables.

De même, il y a un pourcentage de photons qui traversent la feuille semi-conductrice sans heurter aucun électron, et d'autres qui illuminent la surface du matériau et sont réfléchis (pertes par réflexion). Ces pertes peuvent être réduites grâce à des traitements antireflet à la surface de la cellule photovoltaïque. Dans ces cas, l'effet photovoltaïque ne se produirait pas.

La génération d'une paire électron-trou n'est obtenue que pour chaque photon dont l' énergie cinétique est supérieure à l'énergie minimale (espace) qui parvient à pénétrer le matériau et à s'arrêter avec un électron de valence.

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Date de publication : 13 mai 2015
Dernier examen : 3 mai 2020