Diapositive 1

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CELLULES
PHOTOVOLTAÏQUES
quelle est la proportion d'ENERGIE d'origine SOLAIRE
dans la production d'électricité ?
86,5% !!!
pour la production totale d'énergie
(électricité + chauffage, transport, …),
c'est encore plus élevé
Energie d'origine solaire :
pétrole
solaire thermique
gaz naturel
vagues
biomasse
éolienne
charbon
photovoltaïque
hydroélectrique
Energie d'origine non solaire :
marémotrice
nucléaire
géothermique
Mais certaines de ces énergies (d'origine solaire ou non
solaire) ne sont pas renouvelables : quand elles ont été
consommées, elles sont perdues.
ENERGIES FOSSILES : pétrole, gaz naturel, charbon
ENERGIE NUCLEAIRE
 elles s'épuisent petit à petit.
De plus, elles ont un inconvénient majeur : elles émettent un
gaz à effet de serre = CO2 (sauf nucléaire)
Les ENERGIES RENOUVELABLES sont en pratique inépuisables :
• biomasse
• éolienne
• photovoltaïque
• solaire thermique
• hydroélectrique
• marémotrice
(origine non solaire)
• géothermique
Gaz à effet de serre ?
Structure de la production mondiale d'électricité - 2008
18.7%
renouvelable
0.2%
13.5%
déchets non
renouvelables
nucléaire
67.6%
fossile
Structure de la production électrique d'origine renouvelable - 2008
1.7%
5.7%
5.9%
0.3%
géothermie
éolien
biomasse
solaire
hydraulique
86.3%
-5%
fossile
nucléaire
énergie marines
hydraulique
solaire
déchets non
renouvelables
biomasse
éolien
géothermie
taux de croissance annuel moyen 1998 - 2008
35%
30%
25%
20%
15%
10%
5%
0%
Le rayonnement solaire
décomposition
de la lumière
blanche
UV
invisibles
IR
invisibles
(chaleur)
Effet photoélectrique
VIDEO
Effet photoélectrique
électrons
lumière
Une lumière (suffisamment
énergétique) frappe la plaque
métallique et en éjecte des
électrons.
Les électrons éjectés de la plaque laissent des "trous".
Certains électrons frappés par la lumière n'ont pas
l'occasion de quitter la plaque : ils vont simplement se
déplacer et se replacer dans un "trou".
trou
-
-
-
-
-
-
électron
Un atome et ses électrons
E
atome de fer
orbitales atomiques
2 électrons de valence
plus les électrons sont éloignés du
noyau, moins il faudra leur fournir de
l'énergie pour qu'ils le quitte.
Les plus éloignés sont les électrons de
valence.
Semiconducteur
Un semiconducteur est un matériau dont le comportement électrique est
intermédiaire entre celui d'un conducteur (métal) et celui d'un isolant. Le
plus courant est le silicium.
ENERGIE
conducteur
bande de conduction
(recouvrement)
bande de valence
é
semiconducteur
isolant
bande de conduction
bande de conduction
bande interdite
bande interdite
bande de valence
bande de valence
Lorsqu'on fournit au semiconducteur une énergie
suffisamment importante (lumière, chaleur), des
électrons peuvent passer dans la bande de
conduction en laissant des "trous" dans la bande
valence.
é
+
-
Lorsqu'on applique une différence de potentiel,
les électrons (négatifs) et les "trous" (positifs) se
déplacent et un faible courant électrique
apparaît.
Dopage des semi-conducteurs
Le silicium contient 4 électrons de valence :
On peut ajoute au semiconducteur (silicium) des impuretés.
Par exemple, des atomes qui possèdent
5 électrons de valence : phosphore,
arsenic, antimoine.
… ou des atomes qui n'en possèdent
que 3 : bore, aluminium.
(P)
(Al)
Cet ajout va modifier le comportement électrique du semiconducteur.
C'est le DOPAGE.
type P (atome pauvre en é)
type N (atome riche en é)
Si
trou
P
électron en excès
Al
Dans les cellules photovoltaïques, on va utiliser deux couches de
matériau semi-conducteur différentes :
une couche dopée N et une couche dopée P
quantité d'électrons libres supérieure à
une couche de silicium pur.
couche dopée N (é)
couche dopée P (trous)
Que va-t-il se passer ?
quantité d'électrons libres inférieure à une
couche de silicium pur.
La conduction électrique est assurée par des
trous, positifs.
A la jonction P-N, les électrons
libres de la région N rentrent
dans la couche P et vont se
recombiner avec les trous de la
région P.
ZCE
Il va donc se créer une charge positive dans la région N au bord de la jonction (parce
que les électrons en sont partis) et une charge négative dans la région P au bord de la
jonction (parce que les trous en ont disparu).
Cette zone à la jonction s'appelle la Zone de Charge d'Espace (ZCE).
Il se crée alors un champ électrique entre les deux, de N vers P.
Ce champ électrique fait de la ZCE une diode, qui ne permet le passage du courant
que dans un sens : les électrons peuvent passer de la région P vers la région N, mais
pas en sens inverse ; inversement les trous ne passent que de N vers P.
Si lumière  création d'une paire (é libre + trou) dans la ZCE.
é  zone N (+)
trou  zone P (-)
On a donc forcé les électrons et les trous à se diriger chacun vers une face
opposée de la plaque au lieu de leur permettre de se recombiner simplement.
On a créé une différence de potentiel entre les deux faces, comme dans une pile.
 COURANT CONTINU
solar impulse
INTERET ECONOMIQUE
Soleil = source d'énergie gratuite et inépuisable.
OK pour toute la surface terrestre - Efficacité variable (nuages).
Besoin de certaines matières premières (pas inépuisables) pour fabriquer
les cellules photovoltaïques. Mais présentes en grandes quantités
(silicium).
Belgique : aides des différents gouvernements  payback
(remboursement de l'investissement) = environ 7 ans.
Sans aide : payback =  10 ans.
Développements technologiques  efficacité des cellules de plus en
plus importante.
De + en + de clients et de fournisseurs  baisse des prix.
PRODUCTION CONTINUE D'ENERGIE
Production d'énergie électrique uniquement durant la journée.
Quid la nuit et les journées peu ensoleillées ? Stockage ?
Fabrication d'hydrogène par électrolyse de l'eau :
2 H2O ⇌ O2 + 2 H2
Cet hydrogène peut être :
• brûlé en présence d'oxygène  chaleur  électricité
• être utilisé dans une pile à combustible pour redonner de l'électricité
PILE A COMBUSTIBLE
EVOLUTIONS TECHNOLOGIQUES
Caractéristiques : rendement et coût de fabrication.
Un rendement de 20% signifie que 20% de l'énergie solaire est convertie en
électricité.
• silicium monocristallin : très cher – rendement 20%
• silicium polycristallin : moins cher – rendement 15%
• silicium amorphe : encore moins cher – rendement 9%
• silicium cristallin en couches minces : encore moins cher – rendement 7%
• cellule multi-jonctions : plus efficace – rendement 30%

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