L'énergie solaire

Photovoltaïque et thermique : les deux types d'énergie solaire

On distingue principalement deux types d'énergies solaires :

• L'énergie solaire photovoltaïque : elle transforme directement la lumière du soleil en électricité grâce à des cellules composées de matériaux semi-conducteurs.
• L'énergie solaire thermique : elle utilise la chaleur du rayonnement solaire pour chauffer un fluide, qui peut ensuite servir au chauffage de l'eau ou des bâtiments, ou produire de l'électricité via une turbine.

Histoire et fonctionnement du panneau solaire photovoltaïque

Origines de l'effet photovoltaïque

La conversion de la lumière en électricité, appelée effet photovoltaïque, a été découverte par E. Becquerel en 1839. Il faudra cependant attendre près d'un siècle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce phénomène de la physique.

L'utilisation des cellules solaires débute dans les années 1940 dans le domaine spatial. Les recherches d'après-guerre ont permis d'améliorer leurs performances et leur taille, mais il faudra attendre la crise énergétique des années 1970 pour que les gouvernements et les industriels investissent massivement dans la technologie photovoltaïque et ses applications terrestres.

Comment fonctionne une cellule photovoltaïque ?

La cellule photovoltaïque est composée d'un matériau semi-conducteur qui absorbe l'énergie lumineuse et la transforme directement en courant électrique. Le principe de fonctionnement repose sur les propriétés du rayonnement et celles des semi-conducteurs.

Le semi-conducteur : base de la conversion électrique

Un semi-conducteur est un matériau dont la concentration en charges libres est très faible par rapport aux métaux. Pour qu'un électron lié à son atome (bande de valence) devienne libre dans un semi-conducteur et participe à la conduction du courant, il faut lui fournir une énergie minimum pour qu'il puisse atteindre les niveaux énergétiques supérieurs (bande de conduction). C'est l'énergie du « band gap », Eg, exprimée en électron-volt (eV).

Cette valeur seuil est propre à chaque matériau semi-conducteur et varie de 1,0 à 1,8 eV pour les applications photovoltaïques. Elle est de 1,1 eV pour le silicium cristallin (c-Si) et de 1,7 eV pour le silicium amorphe (a-Si).

Le rayonnement solaire : source d'énergie

Le spectre du rayonnement solaire correspond à la distribution des photons — particules de lumière — en fonction de leur énergie (inversement proportionnelle à la longueur d'onde). Le rayonnement arrivant sur la cellule solaire sera en partie réfléchi, une autre partie sera absorbée et le reste traversera l'épaisseur de la cellule.

Les photons absorbés dont l'énergie est supérieure à celle du band gap libèrent un électron négatif, laissant un « trou » positif derrière eux. Pour séparer cette paire de charges électriques de signes opposés et recueillir un courant électrique, il faut introduire un champ électrique E de part et d'autre de la cellule.

Le dopage : créer un champ électrique

La méthode utilisée pour créer ce champ est celle du « dopage » par des impuretés. Deux types de dopage sont possibles :

• Le dopage de type n (négatif) consiste à introduire dans la structure cristalline semi-conductrice des atomes étrangers qui ont la propriété de donner chacun un électron excédentaire (charge négative), libre de se mouvoir dans le cristal. C'est le cas du phosphore (P) dans le silicium (Si). Dans un matériau de type n, on augmente fortement la concentration en électrons libres.

• Le dopage de type p (positif) utilise des atomes dont l'insertion dans le réseau cristallin donnera un trou excédentaire. Le bore (B) est le dopant de type p le plus couramment utilisé pour le silicium.

Lorsque l'on effectue deux dopages différents (type n et type p) de part et d'autre de la cellule, il en résulte, après recombinaison des charges libres (électrons et trous), un champ électrique constant créé par la présence d'ions fixes positifs et négatifs. Les charges électriques générées par l'absorption du rayonnement pourront alors contribuer au courant de la cellule photovoltaïque. Lorsque l'énergie du band gap augmente, le courant diminue mais la tension est plus élevée.

Avantages et inconvénients du photovoltaïque

Les avantages du solaire photovoltaïque

La technologie photovoltaïque présente un grand nombre d'avantages :

• Haute fiabilité : elle ne comporte pas de pièces mobiles, ce qui la rend particulièrement appropriée aux régions isolées. C'est la raison de son utilisation sur les engins spatiaux.

• Modularité : les panneaux photovoltaïques permettent un montage simple et adaptable à des besoins énergétiques divers. Les systèmes peuvent être dimensionnés pour des applications de puissances allant du milliwatt au mégawatt.

• Coûts de fonctionnement réduits : l'entretien est minime et ils ne nécessitent ni combustible, ni transport, ni personnel hautement spécialisé.

• Qualités écologiques : le produit fini est non polluant, silencieux et n'entraîne aucune perturbation du milieu, si ce n'est par l'occupation de l'espace pour les installations de grandes dimensions.

Les inconvénients à prendre en compte

Le système photovoltaïque présente toutefois certains inconvénients :

• Coût de production élevé : la fabrication du module photovoltaïque relève de la haute technologie et requiert des investissements importants.

• Rendement faible : le rendement réel de conversion d'un module est faible (la limite théorique pour une cellule au silicium cristallin est de 28 %).

• Compétitivité limitée : les générateurs photovoltaïques ne sont compétitifs par rapport aux générateurs Diesel que pour des faibles demandes d'énergie en région isolée.

• Stockage coûteux : lorsque le stockage de l'énergie électrique sous forme chimique (batterie) est nécessaire, le coût du générateur photovoltaïque est accru. La fiabilité et les performances du système restent cependant équivalentes, pour autant que la batterie et les composants de régulation associés soient judicieusement choisis.

Applications de l'énergie photovoltaïque

L'énergie photovoltaïque trouve des applications dans de nombreux domaines :

• Domaine spatial : alimentation des satellites et engins spatiaux
• Habitation isolée : maisons non raccordées au réseau électrique
• Industrie isolée : sites industriels en zones reculées
• Centrale de puissance : production d'électricité à grande échelle
• Résidence urbaine : panneaux sur toits en ville
• Biens de consommation : calculatrices, montres, gadgets solaires

Remerciements au livre « Guide des énergies renouvelables » ainsi qu'au site http://www.inti.be.