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

gaz naturel

biomasse

éolienne

charbonhydroélectrique

photovoltaïque

solaire thermique

vagues

Energie d'origine non solaire :

nucléairemarémotrice

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)

• éolienne• biomasse

• solaire thermique• photovoltaïque

• géothermique• marémotrice• hydroélectrique

Gaz à effet de serre ?

Les ENERGIES RENOUVELABLES sont en pratique inépuisables :

(origine non solaire)

18.7%

0.2%

13.5%

67.6%

Structure de la production mondiale d'électricité - 2008

renouvelable

déchets non renouvelables

nucléaire

fossile

1.7%

5.7%

5.9% 0.3%

86.3%

Structure de la production électrique d'origine renouvelable - 2008

géothermie

éolien

biomasse

solaire

hydraulique

géot

herm

ie

éolie

n

biom

asse

déch

ets

non

reno

uvel

a...

sola

ire

hydr

auliq

ue

éner

gie

mar

ines

nucl

éair

e

foss

ile-5%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

taux de croissance annuel moyen 1998 - 2008

Le rayonnement solaire

décompositionde la lumière

blancheUV

invisiblesIRinvisibles(chaleur)

Effet photoélectrique

VIDEO

Effet photoélectrique

lumière

électrons

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

atome de fer

E

orbitales atomiques

2 électrons de valence

Un atome et ses électrons

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.

SemiconducteurUn 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.

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.

ENER

GIE

bande de conductionbande de conduction

bande de valence bande de valence

bande interdite

bande de valence

bande interdite

bande de conduction

conducteur semiconducteur isolant

é

(recouvrement)

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

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.

Le silicium contient 4 électrons de valence :

1 électron supplémentaire

1 électron en moins

(P)

(Al)

Cet ajout va modifier le comportement électrique du semiconducteur. C'est le DOPAGE.

type N (atome riche en é) type P (atome pauvre en é)

Si

P

Alélectron en excès

trou

Dans les cellules photovoltaïques, on va utiliser deux couches de matériau semi-conducteur différentes :

une couche dopée N et une couche dopée P

Que va-t-il se passer ?

couche dopée N (é)

couche dopée P (trous)

quantité d'électrons libres supérieure à une couche de silicium pur.

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.

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).

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.

Fabrication d'hydrogène par électrolyse de l'eau :

2 H2O O⇌ 2 + 2 H2

compressionpuis stockage

Cet hydrogène peut être :

• brûlé en présence d'oxygène chaleur électricité

• être utilisé dans une pile à combustible pour redonner de l'électricité

Quid la nuit et les journées peu ensoleillées ? Stockage ?

PILE A COMBUSTIBLE

EVOLUTIONS TECHNOLOGIQUESCaractéristiques : 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%