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Comment l’énergie solaire est-elle transformée en électricité ?


I. Introduction

 

   A) Qu’est-ce que l’énergie solaire ?

 

   L’énergie produite par les rayons du soleil, étoile de notre galaxie, est appelée “énergie solaire”. Appartenant à la catégorie des naines jaunes, cet astre qui a une température de surface avoisinant les 6000°C permet la vie sur Terre grâce à la chaleur des rayons lumineux qu’il émet. L’énergie solaire est en fait une partie de l’énergie électromagnétique provenant du soleil. En effet, la couche atmosphérique entourant notre planète filtre les différents rayons émis par le soleil et absorbe les rayons ultraviolets afin de protéger la vie sur Terre. L’énergie solaire est classée dans la catégorie des énergies renouvelables car, bien que le soleil disparaîtra un jour, cette énergie est inépuisable à l'échelle humaine. La quantité d'énergie envoyée par le soleil est d’ailleurs assez impressionnante. En permanence, la Terre reçoit une quantité d'énergie solaire de l’ordre de 170 millions de gigawatts. Les watts étant des joules par secondes, la Terre reçoit donc 1,7*10¹⁷ joules chaque seconde. A titre de comparaison, un Airbus A380, sur un vol reliant San Francisco à Moscou (9445 km), consomme une énergie équivalente à 6,3*10¹⁵ joules. Ceci fait donc de l'énergie solaire une énergie renouvelable non négligeable avec des quantités disponibles astronomiques.

Des panneaux solaires éclairés par des rayons solaires

    B) Qu’est-ce que l’électricité ?

 

   Observée depuis l’Antiquité, l’électricité a uniquement commencé à être étudiée au XVIième siècle (le mot électricité ayant été inventé par William Gilbert en 1600). L’électricité est une forme d’énergie devenue indispensable pour les hommes du XXIième siècle. En effet, cette énergie est utilisée dans la vie de tous les jours (allumer la lumière du salon, faire fonctionner un ordinateur, chauffer la maison,...) mais de quoi résulte vraiment cette énergie dont on a tant besoin ? La matière est composée d’atomes et ces atomes sont composés eux mêmes :

- d’un noyau composé de protons (chargés positivement) et de neutrons (qui ne sont pas chargés, ils sont donc neutres : d’où leur nom). Le noyau de chaque atome est donc chargé positivement.

- d’électrons qui sont des corpuscules chargés négativement gravitant autour du noyau.

    Comme chaque atome contient le même nombre de protons et d’électrons, on dit qu’il est électriquement neutre. C’est donc à partir de ça que l’on va pouvoir créer de l’électricité. L’équilibre des charges dans un atome peut être rompu par la perte ou le gain d’un électron. En effet, un atome peut perdre un électron à cause d’un frottement avec un autre atome par exemple. C’est donc le déplacement des électrons qui crée de l’électricité.

II. Conversion de l’énergie solaire en électricité

 

A) Le matériel nécessaire

 

   Pour convertir de l’énergie solaire en énergie électrique, il faut du matériel photovoltaïque. En effet, cette conversion nécessite des panneaux photovoltaïques (plus communément appelés “panneaux solaires”). D’une surface d’environ 1m², le panneau solaire est un dispositif technologique permettant, grâce à ses cellules photovoltaïques, de récupérer une partie du rayonnement solaire et de le transformer en chaleur (afin de chauffer l’eau sanitaire par exemple) ou en électricité. Cette conversion nécessite également une source lumineuse (le soleil). Une fois ces deux éléments réunis, une conversion de l’énergie solaire en énergie électrique est alors possible.

Des panneaux solaires fixés sur un toit de maison

B) La cellule photovoltaïque

 

  1. L’histoire de la cellule photovoltaïque

 

   Une cellule photovoltaïque est le principal composant du panneau solaire. Du grec ancien ‘photos’ qui signifie lumière ou clarté et suivi du suffixe -ique signifiant “relatif à”, le mot photovoltaïque peut être traduit par ‘relatif à la lumière’. La première cellule photovoltaïque fonctionnelle (à base de cellules au sélénium) a été construite par l’inventeur Américain Charles Fritts (1850-1903) en 1883. Ayant un rendement très faible (de l’ordre de 1%), cette cellule solaire ne fut pas utilisée à cette époque. Ce sont finalement les recherches effectuées par Gerald Pearson, Daryl Chapin et Calvin Fuller qui connaîtront un succès assez important. Ces trois physiciens  travaillant pour les laboratoires Bell ont mis au point, en 1954, des cellules photovoltaïques principalement composées de silicium “dopé” (dopage =  action d'ajouter des impuretés en petites quantités à une substance pure afin de modifier ses propriétés de conductivité). De symbole Si et appartenant au groupe des cristallogènes, le silicium est l’élément le plus abondant de la croûte terrestre après l’oxygène. Comme c’est un semi-conducteur (matériau qui n’est ni tout à fait un conducteur d’électricité, ni tout à fait un isolant), le silicium est couramment utilisé pour la fabrication de cellules solaires. Ces cellules, par rapport à celle de Charles Fritts, ont un rendement 6 fois supérieur. Ce type de cellule sera ensuite amélioré afin de rendre son utilisation à grande échelle possible. En effet, en 1958 sont envoyées les premières cellules photovoltaïques dans l’espace (fixées à l’extérieur du satellite Vanguard 1). Il aura suffi d’uniquement quatre ans pour augmenter de 4% le rendement des cellules solaires mises au point en 1954 : les cellules envoyées dans l’espace en 1958 affichent un rendement de 9%. Le développement de ces nouvelles technologies permettant de produire de l’électricité grâce à l’énergie solaire ne va cesser de croitre. Entre les années 1984 et 1996, la production d’électricité grâce à l’énergie solaire va augmenter de 15%. En 2016, les rendements de certaines cellules photovoltaïques dépassent les 20%.

 

      

   2. Composition d’une cellule photovoltaïque

 

On distingue différents types de cellules photovoltaïques. On en dénombre à ce jour 8 types différents : 

  • Cellule photovoltaïque en silicium amorphe

  • Cellule photovoltaïque en silicium monocristallin

  • Cellule photovoltaïque en silicium polycristallin

  • Cellule photovoltaïque tandem

  • Cellule photovoltaïque organique

  • Cellule photovoltaïque multi-jonction

  • Cellule photovoltaïque CIGS

  • Cellule à pérovskites

 

   Seuls les types de cellules solaires les plus connus sont cités mais il en existe d’autres. Nous allons nous intéresser à la composition des cellules en silicium amorphe, des cellules en silicium monocristallin et des cellules en silicium polycristallin.

 

   De couleur marron ou gris très foncé, la cellule photovoltaïque en silicium amorphe est une des cellules les plus connues parmi les cellules ci-dessus. Elles se trouvent généralement sur les calculatrices, les petites lampes ou les montres. Elles sont composées d’un silicium dit “amorphe” car celui-ci n’a pas été cristallisé (ses atomes sont donc désordonnés). Ces cellules sont composées d’une couche de verre permettant de faire passer la lumière, d’un film conducteur transparent permettant la récupération des charges négatives, d’une couche conductive réflectrice (le plus souvent en aluminium) récupérant les “trous”, de trois couches de silicium amorphe respectivement n, i puis p et d’un substrat en verre solide, en plastique souple ou en métal souple. Ces cellules ont beaucoup de qualités : elles ne coûtent pas très cher, ne requièrent pas un éclairement élevé et ne sont pas très sensibles aux températures élevées. Cependant, elles ont un rendement assez faible (de l’ordre de 6 à 8% bien que le record en laboratoire soit de 13,4%) et une durée de vie assez limitée (une dizaine d’années). D’importantes diminutions des performances de ces cellules sont à noter (notamment pendant les 3 à 6 premiers mois d’exploitation : 10%).


 

   De couleur bleu foncé, la cellule photovoltaïque en silicium monocristallin a une caractéristique : elle provient d’un seul et même bloc de cristal de silicium. En effet, le silicium est, dans un premier temps, fondu puis refroidi afin de donner un bloc de cristal. Le découpage de ce cristal en tranches très fines permet d’obtenir ces cellules photovoltaïques. Cette méthode de production requiert beaucoup d’énergie, on peut donc déjà noter un inconvénient des cellules photovoltaïques en silicium monocristallin : elles sont très onéreuses. Elles n’ont d’ailleurs pas un bon rendement sous un faible éclairement. Leur rendement est également diminué par une hausse de la température. Cependant, lorsqu’elles sont bien éclairées, ces cellules ont un rendement assez élevé de l’ordre de 16 à 24% (record en laboratoire : environ 25%). C’est sûrement l’une des raisons pour lesquelles ces cellules ont été placées sur le premier avion électrique ayant fait le tour du monde : Solar Impulse 2. Elles ont une durée de vie d’une trentaine d’années.

Solar Impulse 2 survolant le

Golden Gate de San Francisco

   Une fois le silicium fondu refroidi, il y a formation de cristaux de tailles et de formes différentes : c’est à partir de ça que sont créées les cellules photovoltaïques en silicium polycristallin. Ces cellules adoptent une couleur bleutée mais pas uniforme (contrairement à la cellule à base de silicium monocristallin) vu que les cristaux sont différents.  Bien que leur rendement soit inférieur à celui des cellules composées de silicium monocristallin, elles ont tout de même un rendement avoisinant les 11 à 18% (record atteint en laboratoire : à peu près 20%). Ces cellules sont d’ailleurs moins coûteuses que celles citées précédemment. Cependant, elles sont très sensibles à la hausse de la température et ont un rendement assez faible sous un éclairement moindre.

   Notons que les trois cellules dont j’ai détaillé la composition ci-dessus sont composées de deux couches (toutes les deux dopées afin de permettre une mobilité plus importante aux électrons) qui permettront de produire l’effet photovoltaïque. Tout d’abord, il y a la couche N qui est une zone de la cellule photovoltaïque. Dans cette zone, une partie des atomes de silicium est remplacée par des atomes de phosphore (l’atome de phosphore possédant un électron de plus que l’atome de silicium). Cette couche dopée N est donc composée de porteurs de charges libres négatifs (électrons). Ensuite, il y a la couche P. Dans cette zone de la cellule, une partie des atomes de silicium est remplacée par des atomes de bore (l’atome de bore possédant un électron de moins que l’atome de silicium). Comme ces atomes contiennent un électron de moins que les atomes de silicium, ceci crée un “trou” du fait de l’absence d’un électron. Contenant donc des “trous”, on dit que cette couche dopée P est composée de porteurs de charges libres positifs (“trous”).

   Les autres types de cellules cités sont moins importantes commercialement parlant que les cellules dont j’ai détaillé la composition. En effet, les cellules en silicium représentent 90% du marché du photovoltaïque. On peut tout de même noter le rendement record de la cellule multi-jonction. Cette cellule, composée de différentes couches, peut absorber différentes parties du spectre solaire, ce qui explique le record obtenu en laboratoire : environ 40%.

 

 

C) Que se passe-t-il pendant la conversion ?

 

   1. Jonction P-N

 

   Comme nous l'avons détaillé ci-dessus, les cellules photovoltaïques à base de silicium sont composées de deux couches : la couche P et la couche N. Pour créer une jonction P-N, il faut créer un contact entre ces deux couches. Pendant l’assemblage de la cellule, ces deux couches sont donc mises côte à côte dans le montage électrique. Cette jonction P-N a pour but de permettre le déplacement des électrons entre les deux couches.

 

   2. Comment s’effectue le déplacement des électrons entre les deux couches ?

 

   Comme nous l'avons dit ci-dessus, les deux couches (P et N) sont mises en contact dans l’assemblage des cellules photovoltaïques. Cette jonction doit permettre aux électrons des deux couches de pouvoir passer d’une couche à l’autre. Dans les cellules photovoltaïques, ce déplacement des électrons ne peut être assuré que par des particules composant la lumière : les photons. Considérés comme l’aspect corpusculaire de la lumière, les photons sont des particules élémentaires de charge et de masse nulles. Les photons arrachent des électrons à leurs atomes respectifs dans les deux couches P et N. C’est donc en présence de ces photons que le passage des électrons entre les deux plaques est possible. En effet, en présence de lumière (photons) les électrons de la couche N rejoignent les “trous” de la couche P (et inversement), ceci crée donc un déplacement des électrons (on parle également de paires électron-trou). Les électrons libres vont ensuite passer à travers un circuit électrique pour rejoindre la couche N.

Cliquer sur les images pour les agrandir

 

    Comme nous l'avons précisé dans le I. B), l’électricité résulte du déplacement des électrons. C’est de ce circuit que l’on récupère de l’électricité. Donc, en présence de photons, ces cellules photovoltaïques (grâce aux couches P et N) produisent une tension électrique mesurée en volt. On peut donc parler de conversion d’énergie : l’énergie solaire (mesurée en watt) convertie en courant électrique de tension X (mesurée en volt).  

III. Rendement et production d’un panneau solaire

 

A) Rendement d’un panneau solaire

   Le rendement global d’un panneau solaire est le rapport entre l’énergie solaire reçue par le panneau et la quantité d’énergie électrique produite. Ce rendement global peut être séparé en deux parties :  

  • le rendement des modules en conditions de tests standards (sous une luminosité de 1000 W/m² à 25° C)

  • le ratio de performance ou coefficient de perte qui se base sur beaucoup de critères (pertes dues à la température, pertes dues aux câbles et aux connexions, pertes dues à la présence de masques,...) et qui est généralement situé entre 0.7 et 0.8 pour des installations classiques de panneaux photovoltaïques

 

   1. Rendement des modules en condition de tests standards

 

   Pour calculer ce rendement, les panneaux solaires sont éclairés avec une luminosité de 1000 W/m² à 25°C. Soumis à une telle luminosité, les panneaux photovoltaïques vont délivrer une puissance crête de X watts. La Puissance crête (notée Pc) est la puissance électrique délivrée par un module photovoltaïque sous un ensoleillement optimum de 1 kW/m² à 25°C (soit 1000 W/m²), elle s’exprime en Watt-crête. Ce rendement se calcule en divisant cette Puissance crête par le produit de la surface du champ photovoltaïque (notée S) et l’énergie lumineuse notée Gstc égale à 1000 W/m².

Ce qui donne l’équation suivante :

Msct = 0.17

Admettons que le ratio de performance soit de 0.75.

M = 0.17*0.75 = 0.1275

 

B) Production d’un panneau solaire


   Généralement exprimée en kWh/an, la production d’un panneau solaire est la quantité d’énergie électrique produite en sortie de système en un an. L’équation suivante nous permet d’estimer (avec son degré d’approximation) la production d’un panneau solaire :

   Cette équation pose que l’énergie électrique produite en un an par un panneau photovoltaïque (exprimée en kWh/an) résulte du produit de l’irradiation (l’irradiation étant l’exposition des panneaux photovoltaïques au rayonnement solaire) globale reçue dans le plan des modules sur 1 m² pendant un an (notée Hi), de la surface du champ photovoltaïque en m² (notée S) et du rendement global du système (noté M).

   Admettons que notre champ de panneaux photovoltaïques se situe dans le département des Alpes-Maritimes (06). Ce département du Sud-Est de la France reçoit en moyenne 1760 kWh/m²/an (un des départements où l’irradiation moyenne est la plus élevée). Donc Hi = 1760 kWh/an

Comme nous l'avons dit ci-dessus, notre champ de panneaux photovoltaïques est composé de 15 panneaux solaires d’une surface d’1 m² chacun. Donc S = 15 m²

Nous avons également calculé le rendement global de notre champ de panneaux photovoltaïques de 15 m². Donc M = 0.1275

   Maintenant, calculons la production de notre champ de panneaux photovoltaïques de 15 m² situé dans le département des Alpes-Maritimes sur une année.

                                                                          Eelec = 1760*15*0.1275 = 3366 kWh/an

   Donc sur une année, mon champ de panneaux photovoltaïques produira 3366 kWh. Pour une maison d’une surface de 70 m², habitée par trois personnes, et fonctionnant uniquement à l’électricité (chauffage et eau chaude), mon champ de panneaux photovoltaïques couvrira 37,4% de la demande en électricité sur une année.

TPE -

Mathématiques et

Physique

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