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Comment la lumière est-elle transformée en électricité dans la cellule

Dans la cellule du panneau solaire, le rayonnement lumineux est converti en courant électrique. Comment expliquer cette conversion ?

Au fait, c’est quoi la lumière ?

La lumière peut être représentée comme des particules ou comme des ondes. C’est un rayonnement électromagnétique. La lumière c’est de l’énergie et les lumières de différentes couleurs ont une énergie différente. C’est la longueur d’onde du rayonnement électromagnétique qui définit l’énergie contenue dans la lumière. En réalité, quand notre œil voit des couleurs, notre cerveau interprète différents niveaux d’énergie par les couleurs que nous observons.

A part dans le cas d’un laser, nous sommes confrontés à des lumières polychromatiques, c’est à dire composées de plusieurs longueurs d’onde. Prenons l’exemple d’un arc-en-ciel. La lumière du soleil qui nous apparaît blanche est en réalité composée d’un grand nombre de lumières de longueurs d’ondes différentes. On parle de « spectre lumineux », et dans le cadre de la composition particulière du spectre lumineux du soleil, de « spectre solaire ». Notre œil ne peut voir que sur un spectre limité, le « spectre visible », qui se situe entre 400 nanomètres de longueur d’onde (rouge) et 800 nanomètres (bleu): en-dessous de 400 nm, on parle d' »infrarouge », et au-dessus de 800 nm d' »ultraviolet ».

La lumière visible est une petite partie du spectre électromagnétique :

spectrevisible

Voici le spectre de la lumière solaire tel que nous le recevons sur terre :

spectre solaire

Notez qu’il n’émet pas seulement de la lumière dans le spectre du visible, mais aussi dans un spectre qui est invisible pour nos yeux.

Et voici, en bleu, ce que les cellules photovoltaïques au silicium (les plus courantes) peuvent exploiter :

Spectre_Solaire_converti_cellule_silicium_crystalin

Notez que la cellule ne peut pas utiliser toute la lumière pour produire de l’électricité. On peut définir une limite physique à l’efficacité d’une cellule qui dépend de la lumière que nous recevons et des caractéristiques du matériau utilisé dans la cellule.

Au fait, comment la cellule fait-elle de l’électricité ?

Les cellules photovoltaïques sont constituées de matériaux aux propriétés étonnantes, il s’agit de semi-conducteurs. Les propriétés semi-conductrices sont également à la base de l’électronique et de l’informatique tels que nous les connaissons. La particularité des semi-conducteurs est d’avoir des propriétés électriques qui ne sont, ni celles des conducteurs, ni celles des isolants. En se basant sur leur composition, on peut prédire leur comportement électrique sous différentes conditions (température, rayonnement lumineux, magnétisme…). Le semi-conducteur le plus abondamment utilisé pour les panneaux solaires est le silicium cristallin. Il est très abondant sur terre car présent dans les roches et le sable.

Une pratique courante pour faire varier les propriétés des semi-conducteurs est de les « doper ». Il s’agit d’introduire dans leur structure cristalline des impuretés, un autre élément chimique, que l’on a choisi pour ses caractéristiques. Si l’on introduit un élément qui possède plus d’électrons que le silicium d’un côté, et un élément qui possède moins d’électrons que le silicium de l’autre, on crée une différence de potentiel électrique à l’intérieur de la structure cristalline. Lorsqu’un photon percute un électron, il lui apporte l’énergie pour sauter d’une couche à une autre.

Les cellules photovoltaïques sont donc composées de deux couches semi-conductrices aux propriétés légèrement différentes. On dit qu’elles sont dopées. Une couche présente un surplus d’électron alors que l’autre présente un déficit. Le rayonnement lumineux solaire apporte de l’énergie aux matériaux et permet aux électrons de sauter d’une couche à l’autre. Avec suffisamment de lumière, suffisamment d’électrons sont mis en mouvement et ainsi produisent un courant électrique.

 

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